ДВИГАТЕЛЬ С РАСЩЕПЛЕННЫМ ЦИКЛОМ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ВПРЫСКА ТОПЛИВА В НЕМ Российский патент 2013 года по МПК F02B41/00 F02B75/20 F02B33/44 F02B33/22 F02B33/30 F02M61/18 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к двигателям с расщепленным циклом, а более конкретно, к двигателям с расщепленным циклом, которые содержат топливные инжекторы, которые создают спаренные формы распыла.

Предпосылки к созданию изобретения

Для большей ясности приведем определение термина "стандартный поршневой двигатель внутреннего сгорания" (стандартный двигатель), который использован в описании настоящего изобретения для обозначения двигателя внутреннего сгорания, в котором все четыре такта хорошо известного цикла Отто (то есть такт впуска (или такт всасывания), такт сжатия, такт расширения (или рабочий такт) и такт выпуска) заключены в каждой комбинации поршень/ цилиндр двигателя. Каждый такт требует половину оборота коленчатого вала (угол поворота коленчатого вала (СА) составляет 180 градусов), причем два полных оборота коленчатого вала (720 градусов СА) требуются для завершения полного цикла Отто в каждом цилиндре стандартного двигателя.

Кроме того, для большей ясности далее приводится определение термина «двигатель с расщепленным циклом», которое может быть применено как к известным ранее двигателям, так и к двигателям в соответствии с настоящим изобретением.

Двигатель с расщепленным циклом в соответствии с этим определением содержит:

коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно оси коленчатого вала;

поршень сжатия, введенный в цилиндр сжатия с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень сжатия совершает возвратно-поступательное движение в течение такта впуска и такта сжатия при одном обороте коленчатого вала;

поршень расширения (силовой поршень), введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и оперативно соединенный с коленчатым валом, так что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение такта расширения и такта выпуска при одном обороте коленчатого вала; и

переходный канал, соединяющий цилиндр расширения и цилиндр сжатия, причем переходный канал содержит переходный клапан сжатия (XovrC клапан) и переходный клапан расширения (XovrE клапан), образующие между собой напорную камеру.

В патентах США No. 6,543,225 и No. 6,952,923, которые включены в данное описание в качестве ссылки, содержится подробное обсуждение двигателей с расщепленным циклом и других двигателей аналогичного типа. Кроме того, в этих патентах раскрыты детали предыдущих вариантов двигателей с расщепленным циклом, дальнейшее совершенствование которых описано в настоящем изобретении.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показан известный двигатель с расщепленным циклом, аналогичный описанному в указанных патентах и обозначенный в общем виде позицией 8. Двигатель 8 с расщепленным циклом заменяет два смежных цилиндра стандартного двигателя комбинацией одного цилиндра 12 сжатия и одного цилиндра 14 расширения. Головка 33 цилиндров типично расположена поверх открытого конца цилиндров 12, 14 сжатия расширения, чтобы закрывать и уплотнять цилиндры.

Четыре такта цикла Отто "расщепляются" между двумя цилиндрами 12 и 14. так что цилиндр сжатия 12 вместе с его поршнем 20 сжатия осуществляет такты впуска и сжатия, а цилиндр 14 расширения вместе с его поршнем 30 расширения, осуществляет такты расширения и выпуска. Таким образом, цикл Отто завершается в этих двух цилиндрах 12, 14 за один оборот коленчатого вала 16 (360 градусов СА) вокруг оси 17 коленчатого вала.

Во время такта впуска входной (всасываемый) воздух всасывается в цилиндр 12 сжатия через впускной канал 19, расположенный в головке 33 цилиндров. Открываемый внутрь (в цилиндр) тарельчатый впускной клапан 18 управляет связью между впускным каналом 19 и цилиндром 12 сжатия.

Во время такта сжатия поршень 20 сжатия сжимает заряд воздуха и толкает заряд воздуха в переходный канал (или проход) 22, который типично расположен в головке 33 цилиндров. Это означает, что цилиндр 12 сжатия и поршень 20 сжатия представляют собой источник газа высокого давления, поступающего в переходный канал 22, который действует как впускной канал для цилиндра 14 расширения. В некоторых конструктивных вариантах два или несколько переходных каналов 22 соединяют цилиндр 12 сжатия и цилиндр 14 расширения.

Объемную степень сжатия цилиндра 12 сжатия двигателя 8 с расщепленным циклом (и вообще двигателей с расщепленным циклом) обычно называют "степенью сжатия" двигателя с расщепленным циклом. Объемную степень сжатия цилиндра 14 расширения двигателя с расщепленным циклом 8 (и вообще двигателей с расщепленным циклом) обычно называют "степенью расширения" двигателя с расщепленным циклом. Объемная степень сжатия цилиндра хорошо известна специалистам в данной области как отношение замкнутого (или захваченного) объема в цилиндре (с учетом всех выемок), когда поршень, совершающий в нем возвратно-поступательное движение, находится в своем положении нижней мертвой точки (BDC), к замкнутому объему (то есть к объему камеры сгорания) в цилиндре, когда указанный поршень находится в своем положении верхней мертвой точки (TDC). В частности, для рассматриваемых здесь двигателей с расщепленным циклом степень сжатия цилиндра сжатия определяют тогда, когда XovrC клапан закрыт. Кроме того, для рассматриваемых здесь двигателей с расщепленным циклом степень расширения цилиндра расширения определяют тогда, когда XovrE клапан закрыт.

За счет очень высоких степеней сжатия (например, 20 к 1, 30 к 1, 40 к 1, или больше) в цилиндре 12 сжатия открывающийся наружу (в направлении из цилиндра сжатия) тарельчатый переходный клапан 24 сжатия (XovrC клапан) на впуске переходного канала используют для управления потоком из цилиндра 12 сжатия в переходный канал 22. За счет очень высоких степеней расширения (например, 20 к 1, 30 к 1, 40 к 1, или больше) в цилиндре 14 расширения открывающийся наружу тарельчатый переходный клапан 26 расширения (XovrE клапан) на выпуске 27 переходного канала 22 используют для управления потоком из переходного канала 22 в цилиндр 14 расширения. Частоту срабатывания и фазировку XovrC и XovrE клапанов 24, 26 синхронизируют так, чтобы поддерживать давление в переходном канале 22 при высоком минимальном давлении (типично 20 абсолютных бар или выше при полной нагрузке) во время всех четырех тактов цикла Отто.

По меньшей мере один топливный инжектор 28 впрыскивает топливо в сжатый воздух на выходной конце переходного канала 22 в соответствии с открывавшем XovrE клапана 26, которое происходит незадолго до того, как поршень 30 расширения доходит до его положения верхней мертвой точки. Топливовоздушный заряд обычно поступает в цилиндр 14 расширения вскоре после того, как поршень 30 расширения доходит до его положения верхней мертвой точки (TDC), однако в некоторых рабочих режимах он может начать поступать незадолго до TDC. Когда поршень 30 начинает свой спуск из его положения верхней мертвой точки и когда XovrE клапан 26 еще открыт, свеча 32 зажигания, которая имеет конец 39 свечи зажигания, который выступает в цилиндр 14 расширения, зажигается, чтобы инициировать горение в области вокруг конца 39 свечи зажигания. Горение может быть начато, когда поршень расширения находится между 1 и 30 градусами СА после его положения верхней мертвой точки (TDC). Предпочтительнее горение может быть начато, когда поршень расширения находится между 5 и 25 градусами СА после его положения верхней мертвой точки (TDC). Наиболее предпочтительно горение может быть начато, когда поршень расширения находится между 10 и 20 градусами СА после его положения верхней мертвой точки (TDC).

Кроме того, горение может быть начато с использованием других устройств зажигания и/или других способов, например с использованием свечей с подогревом, устройств микроволнового зажигания или способов компрессионного воспламенения.

XovrE клапан 26 закрывается после начала горения, но до того, как акт горения может войти в переходный канал 22. Акт горения толкает поршень 30 расширения вниз в рабочем ходе.

Во время такта выпуска выхлопные газы откачиваются из цилиндра 14 расширения через выпускной канал 35, расположенный в головке 33 цилиндров. Открывающийся внутрь тарельчатый выпускной клапан 34, расположенный на входе 31 выпускного канала 35, управляет связью между цилиндром 14 расширения и выпускным каналом 35.

В случае двигателя с расщепленным циклом геометрические параметры двигателя (такие как расточка, величина хода поршня, длина шатуна, объемная степень сжатия, и т.п.) цилиндра 12 сжатия и цилиндра 14 расширения обычно являются независимыми друг от друга. Например, кривошипы 36, 37 для цилиндра 12 сжатия и цилиндра 14 расширения соответственно могут иметь различные радиусы и могут иметь фазовый сдвиг друг от друга, так что поршень 30 расширения доходит до своего положения верхней мертвой точки (TDC) до того, как поршень 20 сжатия доходит до своего положения TDC. Эта независимость параметров позволяет двигателю 8 с расщепленным циклом потенциально достигать более высоких уровней кпд и более высоких вращающих моментов, чем в типичных четырехтактных двигателях. Геометрическая независимость параметров в двигателе 8 с расщепленным циклом также является одной из основных причин, позволяющих поддерживать давление в переходном канале 22, как уже было указано здесь выше. В частности, поршень 30 расширения доходит до своего положения верхней мертвой точки до того, как поршень 20 сжатия доходит до своего положения верхней мертвой точки, на разумный фазовый угол (типично между 10 и 30 градусами угла поворота коленчатого вала). Этот фазовый угол вместе с надлежащей синхронизацией XovrC клапана 24 и XovrE клапана 26 позволяет двигателю 8 с расщепленным циклом поддерживать давление в переходном канале 22 при высоком минимальном давлении (типично 20 абсолютных бар или выше при работе под полной нагрузкой) во время всех четырех тактов своего цикла давление/объем. Таким образом, двигатель 8 с расщепленным циклом синхронизирует XovrC клапан 24 и XovrE клапан 26 так, что XovrC и XovrE клапаны будут оба открыты в течение существенного периода времени (или периода вращения коленчатого вала), в течение которого поршень 30 расширения опускается из своего TDC положения в направлении своего BDC положения, а поршень 20 сжатия одновременно поднимается из своего BDC положения в направлении своего TDC положения. В течение периода времени (или периода вращения коленчатого вала), когда переходные клапаны 24, 26 оба открыты, по существу равная масса воздуха перемещается (1) из цилиндра 12 сжатия в переходный канал 22 и (2) из переходного канала 22 в цилиндр 14 расширения. Таким образом, во время этого периода давление в переходном канале не может падать ниже заданного минимального давления (типично 20, 30, или 40 абсолютных бар при работе под полной нагрузкой). Более того, во время существенной части тактов впуска и выпуска (типично 90% продолжительности тактов впуска и выпуска или больше), XovrC клапан 24 и XovrE клапан 26 оба закрыты, чтобы поддерживать массу захваченного газа в переходном канале 22 при по существу постоянном уровне. В результате давление в переходном канале 22 поддерживается на заданном минимальном давлении во время всех четырех тактов цикла давление/объем двигателя.

XovrE клапан 26 открывается незадолго до того, как поршень 30 расширения доходит до его положения верхней мертвой точки. В это время отношение давления в переходном канале 22 к давлению в цилиндре 14 расширения является высоким за счет того факта, что минимальное давление в переходном канале при полной нагрузке двигателя типично составляет 20 абсолютных бар или выше, а давление в цилиндре расширения во время такта выпуска типично составляет около 1-2 абсолютных бар. Другими словами, когда XovrE клапан 26 открывается, давление в переходном канале 22 существенно выше, чем давление в цилиндре 14 расширения (типично, отношение этих давлений составляет около 20 к 1 или выше при полной нагрузке двигателя). Это высокое отношение давлений побуждает начальный поток воздуха и/или заряда топлива втекать в цилиндр 14 расширения с высокими скоростями. Эти высокие скорости потока могут достигать скорости звука, что называют звуковым течением. Это звуковое течение является особенно предпочтительным для двигателя 8 с расщепленным циклом, так как оно вызывает быстрое сгорание, позволяющее двигателю 8 с расщепленным циклом поддерживать высокие давления сгорания, несмотря на то что зажигание инициируют, когда поршень 30 расширения опускается из своего положения верхней мертвой точки.

Топливные инжекторы 28 имеют множество распылительных отверстий, расположенных в сопловой части топливных инжекторов 28, которые нацелены так, чтобы создавать одну или несколько в основном конических форм распыла. Однако следует иметь в виду, что различные параметры топливных инжекторов 28 и характеристики нацеливания (позиционирования) распылительных отверстий являются критическими для обеспечения надлежащей подачи топлива в цилиндр расширения, причем вариации этих параметров могут приводить к менее чем оптимальной подаче топлива. Некоторые из этих параметров включают в себя (но без ограничения) число и размер (то есть диаметр) распылительных отверстий, число и расположение мишеней распылительных отверстий, рабочие давления и температуры инжектора, размер капель топлива, созданных за счет распылительных отверстий, и синхронизацию инжекторов.

Краткое изложение изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются устройство для впрыска и способ впрыска топлива в двигатель, причем распылительные отверстия топливных инжекторов двигателя нацелены на некие мишени, чтобы создавать факелы распыла топлива, которые повышают кпд двигателя.

Более конкретно, примерный вариант двигателя в соответствии с настоящим изобретением содержит коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно оси коленчатого вала. Поршень расширения введен с возможностью скольжения в цилиндр расширения и оперативно соединен с коленчатым валом, так что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение такта расширения и такта выпуска при одном обороте коленчатого вала. Переходный канал, имеющий стенки, соединяет источник газа высокого давления с цилиндром расширения. Переходный клапан расширения (XovrE клапан) выполнен так, чтобы управлять связью между переходным каналом и цилиндром расширения. XovrE клапан содержит головку клапана и шток клапана, идущий от головки клапана. Топливный инжектор выполнен так, чтобы впрыскивать топливо в переходный канал. Топливный инжектор содержит множество распылительных отверстий, расположенных в сопловой части топливного инжектора и нацеленных по меньшей мере на одну мишень, на которую направляют топливо, выпускаемое из распылительных отверстий, чтобы образовать по меньшей мере одну форму распыла. По меньшей мере одна мишень расположена выше положения на седле головки XovrE клапана и между стенками переходного канала и штоком XovrE клапана.

XovrE клапаном может быть открывающийся наружу клапан. Распылительные отверстия могут быть нацелены на множество мишеней распыления, чтобы образовать множество форм распыла, причем мишени расположены так, что формы распыла охватывают с двух сторон шток XovrE клапана. Каждое распылительное отверстие может иметь проходящую через него осевую линию, причем множество распылительных отверстий ориентированы так, что осевые линии распылительных отверстий проходят по меньшей мере через одну мишень, на которую нацелены выпускающие топливо распылительные отверстия. Одной из мишеней может быть мишень внешнего диаметра, расположенная в точке на осевой линии одного из множества распылительных отверстий, в которой осевая линия пересекает максимальный внешний диаметр головки XovrE клапана, когда XovrE клапан поднят на заданное расстояние подъема мишени над его положением на седле. Расстояние подъема мишени может лежать в диапазоне от 10 до 60 процентов максимальной высоты подъема XovrE клапана, преимущественно от 15 до 40 процентов максимальной высоты подъема XovrE клапана, а предпочтительнее от 20 до 30 процентов максимальной высоты подъема XovrE клапана.

Осевые линии распылительных отверстий могут быть ориентированы в основном независимо друг от друга. Число форм распыла может быть равно числу мишеней распыления.

Переходным каналом может быть винтовой переходный канал, который содержит винтовую концевую секцию, расположенную поверх XovrE клапана. По меньшей мере одна мишень может быть расположена внутри винтовой концевой секции. Спирали винтовой концевой секции могут идти в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Источником газа высокого давления может быть цилиндр сжатия, который содержит поршень сжатия, введенный в него с возможностью скольжения, причем цилиндр сжатия оперативно соединен с коленчатым валом, так что поршень сжатия действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение такта впуска и такта сжатия при одном обороте коленчатого вала. Переходный канал соединяет цилиндры расширения и сжатия.

В соответствии с другим примерным вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается двигатель, который содержит коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно оси коленчатого вала. Поршень расширения введен с возможностью скольжения в цилиндр расширения и оперативно соединен с коленчатым валом, так что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение такта расширения и такта выпуска при одном обороте коленчатого вала. Переходный канал соединяет источник газа высокого давления с цилиндром расширения. Переходный клапан расширения (XovrE клапан) действует так, чтобы управлять связью между переходным каналом и цилиндром расширения. XovrE клапан содержит шток клапана. Топливный инжектор действует так, чтобы впрыскивать топливо в переходный канал. Топливный инжектор содержит множество распылительных отверстий, расположенных в сопловой части топливного инжектора. Распылительные отверстия нацелены на две или несколько мишеней, на которые направлено топливо, выпущенное из распылительных отверстий, чтобы образовать по меньшей мере два факела распыла топлива. По меньшей мере два факела распыла топлива охватывают с двух сторон шток XovrE клапана.

Каждое распылительное отверстие имеет проходящую через него осевую линию. Множество распылительных отверстий ориентированы так, что осевые линии каждого распылительного отверстия проходят через одну указанную мишень, на которую направлено топливо. Осевые линии распылительных отверстий, образующих одну форму распыла, ориентированы на мишень, которая отличается от мишени, на которую ориентированы осевые линии распылительных отверстий, образующих другую форму распыла.

XovrE клапан имеет головку клапана, расположенную на конце штока клапана. XovrE клапаном может быть открывающийся наружу клапан. Одной из мишеней может быть мишень внешнего диаметра, которая расположена в точке на осевой линии по меньшей мере одного из распылительных отверстий, в которой осевая линия пересекает максимальный внешний диаметр головки XovrE клапана, когда XovrE клапан поднят на заданное расстояние подъема мишени над его положением на седле. Расстояние подъема мишени лежит в диапазоне от 10 до 60 процентов максимальной высоты подъема XovrE клапана, преимущественно от 15 до 40 процентов максимальной высоты подъема XovrE клапана, а предпочтительнее от 20 до 30 процентов максимальной высоты подъема XovrE клапана.

Переходным каналом может быть винтовой переходный канал, который содержит винтовую концевую секцию, расположенную поверх XovrE клапана. По меньшей мере две или несколько мишеней расположены внутри винтовой концевой секции. Спирали винтовой концевой секции могут идти в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Источником газа высокого давления может быть цилиндр сжатия, который содержит поршень сжатия, введенный в него с возможностью скольжения, причем цилиндр сжатия оперативно соединен с коленчатым валом, так что поршень сжатия действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение такта впуска и такта сжатия при одном обороте коленчатого вала. Переходный канал соединяет между собой цилиндры расширения и сжатия.

В соответствии с еще одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается способ впрыска топлива в двигатель. Двигатель содержит коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно оси коленчатого вала. Поршень расширения введен с возможностью скольжения в цилиндр расширения и оперативно соединен с коленчатым валом, так что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение такта расширения и такта выпуска при одном обороте коленчатого вала. Переходный канал, который имеет стенки, соединяет источник газа высокого давления с цилиндром расширения. Переходный клапан расширения (XovrE клапан) расположен на выходном конце переходного канала и выполнен так, чтобы управлять флюидной связью между переходным каналом и цилиндром расширения. XovrE клапан содержит головку клапана и шток клапана, отходящий от головки клапана. Топливный инжектор действует так, чтобы впрыскивать топливо в переходный канал. Топливный инжектор содержит множество распылительных отверстий, расположенных в сопловой части топливного инжектора. Каждое распылительное отверстие нацелено на одну из двух мишеней, на которую направляют топливо, выпускаемое из распылительных отверстий, чтобы образовать две формы распыла. Две мишени расположены выше положения на седле головки XovrE клапана и между стенками переходного канала и штоком XovrE клапана, так что формы распыла охватывают с двух сторон шток XovrE клапана. Начинают впрыск топлива из топливного инжектора в направлении выходного конца переходного канала. Открывают XovrE клапан. Впрыск топлива заканчивают до закрывания открытого XovrE клапана.

XovrE клапан может открываться наружу из цилиндра расширения. Впрыск топлива может начинаться до открывания XovrE клапана или после открывания XovrE клапана. Способ может дополнительно содержать следующие операции: создание воздушного потока из переходного канала в цилиндр расширения через открытый XovrE клапан; продвижение двух форм распыла в воздушный поток, так что одна форма распыла будет вытянута поверх и поперек штока XovrE клапана и будет сливаться с другой формой распыла, чтобы образовать единственный объединенный факел распыла; вытягивание объединенного факела распыла в направлении кромки выходного конца переходного канала, за счет чего объединенный факел распыла выходит из переходного канала через XovrE клапан. Продолжительность акта впрыска от начала впрыска топлива до окончания впрыска топлива может составлять ориентировочно 45 градусов угла поворота коленчатого вала или меньше, преимущественно 40 градусов угла поворота коленчатого вала или меньше, а предпочтительнее 35 градусов угла поворота коленчатого вала или меньше.

Указанные ранее и другие характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано поперечное сечение известного двигателя с расщепленным циклом.

На фиг.2 показан вид в перспективе винтового канала, соединяющего впуск коллектора с впускным клапаном головки цилиндров двигателя.

На фиг.3 показан другой вид в перспективе винтового канала.

На фиг.4 показан разрез по линии 4-4 на фиг.5 примерного двигателя с расщепленным циклом в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.5 показан вид сверху двигателя с расщепленным циклом, показанного на фиг.4.

На фиг.6 показан вид в перспективе части двигателя с расщепленным циклом, иллюстрирующий внутреннюю часть головки цилиндров и каналы двигателя.

На фиг.7 показан вид в перспективе топливного инжектора двигателя с расщепленным циклом.

На фиг.8 показан с увеличением вид спереди топливного инжектора от линии 8-8 на фиг.7.

На фиг.9 показан разрез топливного инжектора по линии 9-9 на фиг.8.

На фиг.10 показан вид в перспективе топливного инжектора, иллюстрирующий формы распыла топлива, образованные за счет выброса топлива через распылительные отверстия инжектора.

На фиг.11 показан вид в перспективе части двигателя с расщепленным циклом, иллюстрирующий впрыск топлива в каналы двигателя.

На фиг.12 показан вид в перспективе, иллюстрирующий Y-X плоскость трехмерной декартовой системы координат, наложенной поверх цилиндра расширения двигателя.

На фиг.13 показан разрез по линии 13-13 на фиг.12, иллюстрирующий Y-Z плоскость трехмерной декартовой системы координат.

На фиг.14 показан разрез по линии 14-14 на фиг.12.

На фиг.15 показан примерный вариант плана расположения мишеней распыления, иллюстрирующий декартовы (прямоугольные) координаты мишеней внешнего диаметра (OD) и мишеней огневой плиты.

На фиг.16 показан вид сверху части двигателя с расщепленным циклом, иллюстрирующий внутреннюю часть цилиндра расширения и связанных с ним каналов двигателя.

На фиг.17 показан вид сверху двигателя, показанного на фиг.16, схематично иллюстрирующий начало впрыска распыленного топлива в винтовые концевые секции переходных каналов двигателя.

На фиг.18 показан вид сверху, схематично иллюстрирующий открывание клапанов двигателя в каналы, так что воздушный поток в каналах начинает влиять на траекторию факелов распыла топлива.

На фиг.19 схематично показан вид сверху деформации траектории факелов распыла топлива, когда они продвигаются в воздушный поток.

На фиг.20 схематично показан вид сверху факелов распыла топлива, втянутых через шток клапана и начинающих сливаться с другими факелами распыла топлива.

На фиг.21 схематично показан вид сверху слившихся факелов распыла топлива, втянутых к дальней кромке винтовых концевых секций.

Подробное описание изобретения

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.2 и 3, на которых показан винтовой канал 38, который представляет собой проходной канал (проход), который типично соединяет впуск коллектора с впускным клапаном головки цилиндров известного двигателя. Расположенный ниже по течению участок 38 винтового канала содержит в основном прямую направляющую секцию 39, полностью соединенную с винтовой концевой секцией 40, которая расположена над впускным клапаном 41. Впускной клапан 41 имеет шток 42 и головку 43, причем головка 43 открывается в цилиндр (не показан). Площадь сечения потока внутри винтовой концевой секции 40 расположена в кольцевой и нисходящей воронке 44 вокруг штока 42 клапана, который установлен в расточке 46 концевой секции 40. Воронка 44 идет по спирали по меньшей мере на одну треть оборота, а преимущественно между половиной и тремя четвертями оборота вокруг штока 42 клапана, так что входящий воздух побуждается вращаться относительно штока 42 клапана до его входа в цилиндр. Высота свода 47 воронки 44 уменьшается при ее ходе по спирали вокруг штока 42 клапана.

Направляющая секция 39 может быть при необходимости ориентирована тангенциально или радиально относительно цилиндра, причем такая ориентация определяет направление большей части потока топливовоздушного заряда при его входе в цилиндр. Кроме того, факультативно, каждая винтовая концевая секция 40 может идти по спирали в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки, причем такое вращательное направление определяет направление вращения или закрутки топливовоздушного заряда при его входе в цилиндр.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.4 и 5, на которых показан примерный вариант двигателя с расщепленным циклом в соответствии с настоящим изобретением, обозначенного в общем виде позицией 50, который имеет спаренные тангенциальные винтовые переходные каналы 78, причем топливный инжектор 90 расположен в нижнем по течению участке каждого переходного канала 78. Двигатель 50 с расщепленным циклом функционально и конструктивно аналогичен известному двигателю 8 с расщепленным циклом, описанному здесь выше со ссылкой на фиг.1.

Двигатель 50 содержит коленчатый вал 52, выполненный с возможностью вращения относительно оси 54 коленчатого вала в направлении по часовой стрелке, как это показано на чертежах. Коленчатый вал 52 содержит смежные смещенные по углу ведущий и сопровождающий кривошипы 56, 58, соединенные с соответствующими соединительными штоками 60, 62.

Двигатель 50 дополнительно содержит блок 64 цилиндров с парой смежных цилиндров. В частности, двигатель 50 содержит цилиндр 66 сжатия и цилиндр 68 расширения, закрытые головкой 70 цилиндров на верхнем конце цилиндров, противоположном коленчатому валу 52.

Поршень 72 сжатия введен в цилиндр 66 сжатия и соединен с сопровождающим соединительным штоком (шатуном) 62 для возвратно-поступательного движения поршня 72 между положениями верхней мертвой точки (TDC) и нижней мертвой точки (BDC). Поршень 74 расширения введен в цилиндр 68 расширения и соединен с ведущим соединительным штоком 60 для аналогичного возвратно-поступательного движения между TDC/BDC.

Головка 70 цилиндров образует конструкцию для протекания газа в цилиндры 66, 68, из них и между ними. Для этого головка 70 цилиндров содержит впускной канал 76, через который входной (всасываемый) воздух всасывается в цилиндр 66 сжатия, пару тангенциальных винтовых переходных каналов (Xovr каналов) 78, через которые сжатый воздух перемещается из цилиндра 66 сжатия в цилиндр 68 расширения, и выпускной канал 80, через который выхлопные газы выпускаются из цилиндра 68 расширения.

Поток газа в цилиндр 66 сжатия регулируется при помощи открывающегося внутрь (в цилиндр) тарельчатого впускного клапана 82. Поток газа в каждый винтовой переходный канал 78 и из него может регулироваться при помощи пары открывающихся наружу тарельчатых клапанов, то есть при помощи переходных клапанов сжатия (XovrC клапанов) 84 на впускных концах винтовых переходных каналов и переходных клапанов расширения (XovrE клапанов) 86 на выпускных концах винтовых переходных каналов. Каждая пара переходных клапанов 84, 86 образует напорную камеру 87 между ними в соответствующих переходных каналах. Потоком выхлопных газов из выпускного канала 80 управляет открывающийся внутрь тарельчатый выпускной клапан 88. Эти клапаны 82, 84, 86 и 88 могут приводиться в действие при помощи любого подходящего средства, например при помощи кулачков с механическим приводом, технологии переменного возбуждения клапанов и т.п.

Каждый винтовой переходный канал 78 имеет по меньшей мере один расположенный в нем топливный инжектор 90 высокого давления. Топливные инжекторы 90 действуют так, чтобы впрыскивать топливо в заряд сжатого воздуха внутри напорных камер 87 винтовых переходных каналов 78.

Двигатель 50 также содержит одну или несколько свечей 92 зажигания или других устройств зажигания. Свечи 92 зажигания расположены в соответствующих местах на конце цилиндра 68 расширения, где перемешанный заряд топлива и воздуха может воспламеняться и сгорать во время рабочего такта (такта расширения).

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.6, на которой крупным планом показана внутренняя часть головки 70 цилиндров и каналы, в том числе выпускной канал 80 и нижние по течению участки спаренных тангенциальных винтовых переходных каналов 78. Топливные инжекторы 90 расположены в каждом нижнем по течению участке переходных каналов 78 и служат для впрыска топлива в воздушный поток при приведении в действие XovrE клапанов 86. Как это описано далее более подробно, факелы распыла топлива (не показаны) от инжекторов 90 направлены так. чтобы оптимизировать течение и распределение топливовоздушного заряда в цилиндр 68 расширения.

Как уже было указано здесь выше, топливовоздушный заряд должен протекать из переходных каналов 78 в цилиндр 68 расширения, где он сгорает во время рабочего такта, после чего продукты сгорания выпускают через выпускной канал 80 во время такта выпуска. До сгорания топливовоздушный заряд должен быть быстро перемешан и полностью распределен в цилиндре 68 расширения.

Оба переходные каналы 78 содержат в основном прямую тангенциальную направляющую секцию 100, полностью соединенную с идущей по часовой стрелке винтовой концевой секцией 102, которая расположена над открывающимся наружу переходным тарельчатым клапаном 86 расширения.

В показанном на фиг.6 варианте каждая идущая по часовой стрелке винтовая концевая секция 102 содержит воронку 104, идущую по спирали в направлении часовой стрелки вокруг штока 106 клапана, расположенного в расточке 108, через которую проходит шток клапана каждого открывающегося наружу переходного клапана 86 расширения. Спиральная воронка 104 побуждает входящий воздух вращаться относительно штока 106 клапана до его входа в цилиндр 68 расширения. Шток клапана несет открывающуюся наружу головку 109 клапана, которая удерживается закрытой, частично за счет давления в напорной камере 87, когда клапан сидит на седле.

Каждая направляющая секция 100 является тангенциальной (касательной) к периметру цилиндра 68 расширения. Таким образом, каждая направляющая секция 100 направляет воздушный поток в воронку 104 по пути, который ориентировочно является параллельным (в диапазоне плюс или минус 20 градусов, преимущественно плюс или минус 10 градусов, а предпочтительнее плюс или минус 5 градусов) касательной, идущей через точку на периметре цилиндра 68 расширения, которая является ближайшей к штоку клапана. Шток 106 клапана несет открывающуюся наружу головку 109 клапана, которая удерживается закрытой, частично за счет давления в напорной камере 87, когда клапан сидит на седле. Было обнаружено, что эта комбинация спаренных тангенциальных винтовых переходных каналов 78, в которых обе винтовые концевые секции 102 идут по спирали в одном и том же направлении, весьма способствует быстрому перемешиванию воздуха и топлива в двигателе 50 с расщепленным циклом. В этом варианте показаны обе винтовые концевые секции 102, идущие по спирали в направлении по часовой стрелке. Однако в альтернативных вариантах обе винтовые концевые секции 102 могут идти по спирали в направлении против часовой стрелки.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.7, 8 и 9, где на фиг.7 показан вид в перспективе инжектора 90, на фиг.8 показан крупным планом вид спереди конца 120 инжектора 90 (от линии 8-8 на фиг.7), а на фиг 9 показан крупным планом вид сбоку конца 120 в разрезе по линии 9-9 на фиг.8. В этом примерном конструктивном варианте конец 120 инжектора имеет шесть распылительных отверстий 122 инжектора, которые расположены по окружности вокруг центра 124 конца инжектора (как это лучше всего показано на фиг.8). Несмотря на то что в этом конструктивном варианте использованы шесть распылительных отверстий инжектора, следует иметь в виду, что любое разумное число отверстий может быть предусмотрено в конце 120 инжектора (например, от 1 до 8 или больше). Каждое распылительное отверстие 122 инжектора может иметь различный диаметр и/или длину, причем каждое распылительное отверстие 122 имеет проходящую через него осевую линию 126 (как это лучше всего показано на фиг.9).

Важно отметить, что осевые линии 126 распылительных отверстий 122 могут быть независимо ориентированы (нацелены), чтобы направлять топливо к отдельным индивидуальным мишеням или к множеству общих мишеней внутри геометрии двигателя 50. Таким образом, отверстия 122 могут быть ориентированы так, что когда топливный инжектор 90 установлен в двигателе 50, продолжение осевой линии 126 каждого отверстия 122 будет проходить через специфическую мишень внутри геометрии двигателя 50, в направлении к которой будет направлено топливо, выпускаемое из отверстия 122. Может быть предусмотрено столько же мишеней, сколько имеется отверстий 122, или всего только одна мишень, на которую нацелены все отверстия 122, или любое другое число мишеней, на которые нацелены различные группы отверстий. Обратимся теперь к рассмотрению фиг.10 при продолжении рассмотрения фиг.8 и 9, где показано, что каждое распылительное отверстие 122 инжектора 90 будет выпускать топливо, которое расширяется с образованием конической формы распыла топлива (или факела распыла топлива), когда топливо выходит из распылительного отверстия 122, при условии что нет внешних сил (например, сильного воздушного потока), воздействующих на факелы распыла топлива после их выпуска. Число конических форм распыла может быть равно числу мишеней, на которые нацелены отверстия 122. В этом примерном конструктивном варианте предусмотрены две мишени (не показаны), причем первая группа из трех отверстий нацелена на первую из двух мишеней, а вторая группа из трех отверстий нацелена на вторую из двух мишеней. В результате формы распыла каждой из двух групп отверстий соединяются, чтобы образовать две отдельные конические формы 128 и 130 распыла. Каждая из форм 128, 130 распыла имеет соответствующую осевую линию 132, 134 формы распыла, которая нацелена на свою мишень. Таким образом, осевые линии 132, 134 идут от центра каждого конца 124 инжектора 120 в направлении к мишени и через нее. Более того, за исключением небольшого расстояния от центра распылительного отверстия 122 до центра 124 конца инжектора осевая линия 132, 134 каждой конической формы 128, 130 распыла будет в основном совмещена с каждой осевой линией 126 каждого распылительного отверстия 122, нацеленного на одну и ту же мишень.

Специалисты в данной области легко поймут, что мишени, на которые нацелены множество распылительных отверстий 122 (и их осевые линии 126), могут быть расположены так близко, что факелы распыла топлива от каждого множества отверстий 122 будут соединяться, чтобы образовать единственную особую в целом коническую форму распыла. В том случае, когда факелы распыла соединяются, чтобы образовать единственную форму распыла, считают, что отверстия 122 нацелены на одну и ту же мишень.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.11, на которой показан вид в перспективе, аналогичный показанному на фиг.6, где можно видеть внутреннюю часть головки 70 цилиндров и каналы двигателя, в том числе выпускной канал 80 и нижние по течению участки спаренных тангенциальных винтовых переходных каналов 78. Топливные инжекторы 90 расположены в нижних по течению участках переходных каналов 78. Топливные инжекторы 90 приводятся в действие так, что они выпускают спаренные факелы 128, 130 распыла топлива через винтовые концевые секции 102 переходных каналов 78. Спаренные факелы 128, 130 распыла топлива нацелены так, что они охватывают с двух сторон штоки 106 XovrE клапанов 86. Топливные инжекторы типично спроектированы для использования бензина под высоким давлением (например, 20-200 бар). Как таковые, они спроектированы для работы в среде под высоким давлением и высокой температурой в Xovr каналах 78.

Различные факторы необходимо учитывать при нацеливании факелов распыла топлива от инжектора, чтобы получить оптимальный топливовоздушный поток и оптимальное распределение в цилиндре 68 расширения. Факелы 128, 130 распыла топлива должны быть нацелены так, чтобы возможно меньше сталкиваться с холодными поверхностями, и должны быть направлены возможно точнее в области максимального воздушного потока. В случае двигателя 50 относительно холодными поверхностями, которых следует избегать, являются стенки переходного канала 78 (содержащие винтовые концевые секции 102) и штоки 106 XovrE клапанов 86.

Головки 109 XovrE клапанов являются относительно горячими поверхностями. однако, когда головки 109 XovrE клапанов находятся на седлах, они в основном расположены вдалеке от основного пути протекания воздуха, завихренного в винтовой секции 102, и их также следует избегать. Таким образом, факелы 128, 130 распыла топлива должны быть нацелены на мишень, расположенную выше положения на седле головок 109 клапанов и между стенками винтовых концевых секций 102 и штоками 106 клапанов.

Кроме того, размер капель топлива является другим важным фактором при оптимизации топливовоздушного потока. Обычно крупные капли топлива имеют большее количество движения, но испаряются медленнее, чем мелкие капли топлива. Если капли топлива слишком крупные, они легко перемещаются на траекторию основного воздушного потока, но не испаряются достаточно быстро и могут соударяться с холодными стенками винтовой концевой секции 102, где они образуют конгломерат в виде жидкого топлива и не сгорают надлежащим образом. Если капли топлива слишком мелкие, они испаряются достаточно быстро, но не имеют достаточного количества движения для переноса на траекторию основного воздушного потока и входа в цилиндр 68 расширения. Кроме того, чем больше число форм распыла для данного заряда (массы) топлива, тем меньше диаметр распылительных отверстий 122 и меньше размер капель.

В примерном конструктивном варианте двигателя 50 с расщепленным циклом сдвоенные формы 128, 130 распыла топлива, имеющие две различные мишени, работают лучше всего в том, что касается оптимизации размера капель, причем единственная форма распыла будет создавать слишком крупные капли, которые будут чрезмерно соударяться с холодными поверхностями винтовых концевых секций 102. Альтернативно, три или больше форм распыла будут создавать слишком мелкие капли, которые не будут иметь достаточного количества движения для их переноса через винтовую концевую секцию 102 и для перемешивания с основным воздушным потоком, входящим в цилиндр 68 расширения.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.12 и 13, на которой трехмерная декартова система координат (имеющая X, Y и Z координаты) наложена поверх двигателя 50, а более конкретно, поверх цилиндра 68 расширения. На фиг.12 показана Y-X плоскость (то есть Z=0) системы координат.На фиг.13 показан разрез по линии 13-13 на фиг.12, причем на фиг.13 показана Y-Z плоскость (то есть Х=0) системы координат.Y-Z плоскость проходит как через осевую линию 138 цилиндра 68 расширения, так и через осевую линию 139 выпускного клапана 88. Начало 136 системы координат (то есть точка, в которой X, Y и Z равны 0) расположено на пересечении осевой линии 138 цилиндра 68 расширения (как это лучше всего показано на фиг.13) и нижней поверхности 140 (которую обычно называют огневой плитой) головки 70 цилиндров (как это лучше всего показано на фиг.13).

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.12, на которой показано, что соответствующие осевые линии 132 и 134 форм 128 и 130 распыла, которые выпущены из инжекторов 90, нацелены на мишени, расположенные между штоками XovrE клапанов 106 и стенками винтовых концевых секций 102. Это вызвано тем, что стенки винтовых концевых секций 102 и штоки 106 XovrE клапанов 86 имеют относительно холодные поверхности и будут снижать интенсивность испарения топлива, выпущенного из инжекторов 90. Следует также иметь в виду, что если соответствующие осевые линии 132 и 134 форм 128 и 130 распыла нацелены между штоком XovrE клапана 106 и стенками винтовой концевой секцией 102, то тогда осевые линии 126 распылительных отверстий 122 будут соединяться, чтобы образовать соответствующую объединенную форму 128 и 130 распыла.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.14, на которой показан разрез по линии 14-14 на фиг.12, причем для упрощения показан разрез только одной формы 130 распыла из двух форм 128 и 130 распыла, выпущенных из инжекторов 90. Как уже было указано здесь выше, форма 130 распыла имеет связанную с ней осевую линию 134, которая начинается из центра 124 конца 120 инжектора и нацелена на мишень (то есть проходит через мишень), расположенную внутри геометрии двигателя 50. Следует также иметь в виду, что, как уже было указано здесь выше, осевые линии 126 распылительных отверстий 122, которые соединяются, чтобы образовать формы 128 и 130 распыла, нацелены на одни и те же мишени.

В этом конструктивном варианте используют два альтернативных типа мишеней. Первый тип мишени выполнен здесь как мишень 142 внешнего диаметра (OD мишень), а второй тип мишени выполнен здесь как мишень 144 огневой плиты. Обе мишени 142, 144 расположены в точке, через которую будет проходить удлиненная осевая линия 134.

На обе мишени 142, 144 нацелена осевая линия 134 выше головки 109 XovrE клапана, когда головка 109 клапана находится в ее положении на седле. Таким образом, обе мишени 142, 144 требуют, чтобы клапан 86 был поднят на заданное расстояние 146 подъема мишени над его положением на седле до того, как максимальный внешний диаметр головки 109 пересечет нацеленную осевую линию 134. Одной из основных причин выбора мишеней, на которые нацеливают осевую линию 134 распыла выше положения на седле головки 109 XovrE клапана, является впрыск формы 130 распыла в область поблизости от максимального воздушного потока, для того чтобы содействовать перемешиванию и распределению воздуха и топлива.

В случае OD мишени 142 мишень 142 расположена в реальной точке пересечения между максимальным внешним диаметром головки 109 XovrE клапана и нацеленной осевой линией 134, когда XovrE клапан 86 доходит до расстояния 146 подъема мишени. В случае мишени 144 огневой плиты мишень 144 расположена в точке на огневой плите 140 головки 70 цилиндров, через которую нацеленная осевая линия 134 будет проходить после пересечения OD мишени 142.

Расстояние 146 подъема мишени преимущественно составляет несколько процентов максимальной высоты подъема XovrE клапана 86. Расстояние 146 подъема мишени преимущественно составляет от 10 до 60 процентов максимальной высоты подъема XovrE клапана 86. Предпочтительнее расстояние 146 подъема мишени составляет от 15 до 40 процентов максимальной высоты подъема XovrE клапана 86. Еще лучше, если расстояние 146 подъема мишени составляет от 20 до 30 процентов максимальной высоты подъема XovrE клапана 86.

В качестве примера, если максимальная высота подъема XovrE клапана 86 (то есть точка, в которой XovrE клапан 86 находится дальше всего от его положения на седле) составляет от 3.0 до 3.6 мм и задано расстояние 146 подъема мишени 0.9 мм, то тогда расстояние 146 подъема мишени будет составлять от 25 до 30 процентов максимальной высота подъема XovrE клапана 86. Это позволяет помещать форму 130 распыла в хорошее положение для продвижения сильным воздушным потоком, который имеется в нижнем по течению участке переходного канала 78, когда клапан 86 открывается.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.15, на которой показан примерный вариант плана расположения мишеней распыления, причем показаны прямоугольные координаты (X,Y,Z) каждой OD мишени 142, 148, 150 и 152 и каждой мишени 144, 154, 156 и 158 огневой плиты внутри геометрии двигателя 50. Кроме того, также показаны координаты начала факелов распыла инжекторов (то есть центров 124 концов инжекторов). В этом примерном конструктивном варианте расстояние 146 подъема мишени составляет 0.9 мм над поверхностью седел открывающихся наружу клапанов 86.

В дополнение к местоположениям мишени показаны максимальные внешние диаметры (OD) головок 109 и штоков 106 XovrE клапанов 86 в их положениях относительно цилиндра 68 расширения. Кроме того, показаны осевые линии 132 и 134 соответствующих форм 128 и 130 распыла, идущие от центров 124 концов инжекторов (то есть от начала факелов распыла инжекторов) и проходящие через их соответствующие OD мишени 142, 148, 150 и 152 и мишени 144, 154, 156 и 158 огневой плиты.

В этой системе координат плоскость Z=0 представляет собой местоположение огневой плиты 140 (что лучше всего показано на фиг.13). Таким образом, все мишени 144, 154, 156 и 158 огневой плиты имеют равную нулю координату Z.

Кроме того, в этом конструктивном варианте, когда XovrE клапаны 86 находятся на седлах, максимальные внешние диаметры головок 109 расположены на 2.6 мм выше огневой плиты 140. Когда максимальные внешние диаметры головок 109 подняты на расстояние подъема мишени 0.9 мм, тогда максимальные внешние диаметры будут расположены на 3.5 мм выше огневой плиты 140. Таким образом, все внешние диаметры мишеней 142, 148, 150 и 152 имеют Z координату 3.5 мм.

Следует иметь в виду, что OD мишень 148 не попадает непосредственно на периметр связанной с ней головки 109. Это происходит за счет геометрических препятствий в винтовой концевой секции 102, охватывающей эту специфическую головку. Таким образом, осевая линия 132 должна иметь поворот от более холодной поверхности стенки винтовой концевой секции 102 в направлении более горячего штока 106. Технически это означает, что осевая линия 132 пересекает максимальный OD головки 109 в точке, которая расположена немного ниже, чем желательное расстояние подъема 0.9 мм. Однако уменьшение расстояния 146 подъема мишени является небольшим и соответствует предпочтительному диапазону от 10 до 60 процентов максимальной высоты подъема клапана 86.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.16-21, на которых детально показан акт подачи топлива в градусах угла поворота коленчатого вала. Надпись в правой верхней части каждой фигуры обозначает расположение поршня 74 расширения в градусах угла поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки (ATDCe) поршня 74 расширения.

Инжекторы 90 установлены на внешних сторонах винтовых концевых секций 102, но нацелены так, чтобы факел распыла переносился воздушным потоком через винтовые концевые секции 102 и вокруг них в направлении внутренних частей винтовых концевых секций 102. Как таковые, топливовоздушные смеси по большей части выходят через отверстия XovrE клапана 86 в направлении к центру цилиндра 68 расширения и переносятся через цилиндр 68.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.16, на которой показано, что при -14.5 градусах ATDCe акт впрыска еще не начался. Кроме того, XovrE клапаны 86 все еще находятся в их положениях на седлах.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.17, на которой показано, что при -10.5 градусах ATDCe акт впрыска начинается ранее открывания XovrE клапана 86, так что имеется время для перемещения факелов 128, 130 распыла топлива через винтовые концевые секции 102 до открывания клапанов 86. Несмотря на то что акт впрыска типично начинается (то есть начинается впрыскивание топлива в переходные каналы 78) ранее открывания XovrE клапанов, имеются режимы работы, в которых акт впрыска может начинаться после открывания XovrE клапанов 86.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.18, на которой показано, что, при -6.5 градусах ATDCe XovrE клапаны 86 имеют достаточную высоту подъема, чтобы установился существенный воздушный поток и начинать влиять на траекторию факелов 128, 130 распыла. Два факела 128, 130 распыла все еще в основном охватывают с двух сторон штоки 106 клапанов.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.19, на которой показано, что, при -2.5 градусов ATDCe два факела 128, 130 распыла почти полностью прошли через винтовые концевые секции 102 и все еще охватывают с двух сторон штоки 106 клапанов. Однако в этом случае имеется значительное искривление траектории факелов 128, 130 распыла, когда они продвигаются в воздушный поток, закрученный вокруг винтовой концевой секции 102.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.20, на которой показано, что, при +1.5 градусах ATDCe форма 130 распыла левого инжектора втянута за счет воздушного потока в точку, в которой она точно пересекает связанный с ней шток 106 клапана. Форма 128 распыла правого инжектора полностью втянута через связанный с ней шток 106 клапана и начинает сливаться с соответствующей формой 130 распыла.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.21, на которой показано, что, при +5.5 градусах ATDCe формы 128 и 130 распыла от обоих инжекторов 90 втягиваются завихренным воздушным потоком к дальней кромке винтовых концевых секций 102 и сливаются вместе. Теперь объединенные факелы 128 и 130 распыла топлива выходят через отверстия XovrE клапана 86 в направлении центра цилиндра 68 расширения и переносятся через цилиндр 68.

Акты впрыска заканчиваются до закрывания XovrE клапана 86, так что имеется время для того, чтобы остающийся воздушный поток через XovrE клапаны 86 переносил большую часть впрыснутого топлива. Типично, продолжительность акта впрыска составляет 45 градусов угла поворота коленчатого вала или меньше, преимущественно 40 градусов угла поворота коленчатого вала или меньше, а предпочтительнее 35 градусов угла поворота коленчатого вала или меньше. Это также позволяет снизить до минимума вероятность частичного сгорания топлива в переходных каналах 78.

Несмотря на то что были описаны специфические варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены различные изменения и дополнения в рамках описанных концепций изобретения и в соответствии с его сущностью. Таким образом, подразумевается, что настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами, а полный объем его патентных притязаний определяется приведенной далее формулой изобретения.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Двигатель (50) с расщепленным циклом содержит коленчатый вал (52), поршень (74) расширения, введенный в цилиндр (68) расширения с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом (52), так что поршень (74) расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение такта расширения и такта выпуска при одном обороте коленчатого вала (52), переходный канал (78), соединяющий источник газа высокого давления с цилиндром (68) расширения, и топливный инжектор (90), впрыскивающий топливо в переходный канал (78). Переходный клапан (86) расширения управляет связью между переходным каналом (78) и цилиндром (68) расширения. Клапан (86) содержит головку клапана и шток клапана, идущий от головки клапана. Топливный инжектор (90) содержит множество распылительных отверстий, расположенных в сопловой части топливного инжектора и нацеленных по меньшей мере на одну мишень, на которую направляют топливо, выходящее из распылительных отверстий, чтобы образовать по меньшей мере одну форму распыла. По меньшей мере одна мишень расположена выше положения на седле головки переходного клапана (86) расширения и между стенками переходного канала (78) и штоком указанного клапана расширения. Раскрыт вариант выполнения двигателя и способ впрыска топлива в двигатель. Технический результат заключается в улучшении распыла топлива. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Двигатель с расщепленным циклом, который содержит:
коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно своей оси;
поршень расширения, введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение такта расширения и такта выпуска при одном обороте коленчатого вала; переходный канал, имеющий стенки, причем переходный канал соединяет источник газа высокого давления с цилиндром расширения;
переходный клапан расширения, действующий так, чтобы управлять связью между переходным каналом и цилиндром расширения, причем клапан содержит головку клапана и шток клапана, идущий от головки клапана; и
топливный инжектор, впрыскивающий топливо в переходный канал;
причем топливный инжектор содержит множество распылительных отверстий, расположенных в сопловой части топливного инжектора и нацеленных по меньшей мере на одну мишень, на которую направляют топливо, выходящее из распылительных отверстий, чтобы образовать по меньшей мере одну форму распыла;
при этом по меньшей мере одна мишень расположена выше положения на седле головки переходного клапана расширения и между стенками переходного канала и штоком указанного клапана расширения.

2. Двигатель по п.1, в котором распылительные отверстия нацелены на множество мишеней распыления, чтобы образовать множество форм распыла, причем мишени расположены так, что формы распыла охватывают с двух сторон шток указанного клапана расширения.

3. Двигатель по п.1, в котором каждое распылительное отверстие имеет проходящую через него осевую линию, причем множество распылительных отверстий ориентированы так, что осевые линии распылительных отверстий проходят по меньшей мере через одну мишень, на которую нацелены распылительные отверстия.

4. Двигатель по п.3, в котором одна из мишеней представляет собой мишень внешнего диаметра, которая расположена в точке на осевой линии одного из множества распылительных отверстий, в которой указанная осевая линия пересекает максимальный внешний диаметр головки указанного клапана расширения, когда он поднят на заданное расстояние подъема мишени над его положением на седле.

5. Двигатель по п.4, в котором расстояние подъема мишени лежит в диапазоне от 10 до 60% от максимальной высоты подъема указанного клапана расширения, преимущественно от 15 до 40% от максимальной высоты его подъема, а предпочтительнее от 20 до 30% от максимальной высоты его подъема.

6. Двигатель по п.3, в котором осевые линии распылительных отверстий ориентированы независимо друг от друга.

7. Двигатель по п.1, в котором число форм распыла равно числу мишеней распыления.

8. Двигатель по п.1, в котором переходный канал представляет собой винтовой переходный канал, который содержит винтовую концевую секцию, расположенную поверх указанного клапана расширения, причем по меньшей мере одна мишень расположена внутри винтовой концевой секции.

9. Двигатель по п.8, в котором спирали винтовой концевой секции идут в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки.

10. Двигатель по п.1, в котором переходный клапан расширения представляет собой открывающийся наружу клапан.

11. Двигатель по п.1, в котором:
источник газа высокого давления представляет собой цилиндр сжатия, который содержит поршень сжатия, введенный в него с возможностью скольжения, причем цилиндр сжатия соединен с коленчатым валом так, что поршень сжатия действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение такта впуска и такта сжатия при одном обороте коленчатого вала; причем
переходный канал соединяет цилиндры расширения и сжатия.

12. Двигатель с расщепленным циклом, который содержит:
коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно своей оси;
поршень расширения, введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение такта расширения и такта выпуска при одном обороте коленчатого вала; переходный канал, соединяющий источник газа высокого давления с цилиндром расширения;
переходный клапан расширения, действующий так, чтобы управлять связью между переходным каналом и цилиндром расширения, причем клапан имеет шток клапана; и
топливный инжектор, впрыскивающий топливо в переходный канал;
причем топливный инжектор содержит множество распылительных отверстий, расположенных в сопловой части топливного инжектора, при этом распылительные отверстия нацелены на две или несколько мишеней, причем топливо, выходящее из распылительных отверстий, направляют так, чтобы образовать по меньшей мере два факела распыла топлива;
при этом по меньшей мере два факела распыла топлива охватывают с двух сторон шток переходного клапана расширения.

13. Двигатель по п.12, в котором каждое распылительное отверстие имеет проходящую через него осевую линию, причем множество распылительных отверстий ориентированы так, что осевые линии каждого распылительного отверстия проходят через одну указанную мишень, на которую направлено топливо.

14. Двигатель по п.13, в котором осевые линии распылительных отверстий, образующих одну указанную форму распыла, ориентированы на мишень, которая отличается от мишени, на которую ориентированы линии распылительных отверстий, образующих другую указанную форму распыла.

15. Двигатель по п.13, в котором:
переходный клапан расширения содержит головку клапана, расположенную на конце штока клапана, а одна из мишеней представляет собой мишень внешнего диаметра, которая расположена в точке на осевой линии по меньшей мере одного указанного распылительного отверстия, в которой указанная осевая линия пересекает максимальный внешний диаметр головки указанного клапана расширения, когда он поднят на заданное расстояние подъема мишени над его положением на седле.

16. Двигатель по п.15, в котором расстояние подъема мишени лежит в диапазоне от 10 до 60% от максимальной высоты подъема указанного клапана расширения, преимущественно от 15 до 40% от максимальной высоты его подъема, а предпочтительнее от 20 до 30% от максимальной высоты его подъема.

17. Двигатель по п.12, в котором переходный канал представляет собой винтовой переходный канал, который содержит винтовую концевую секцию, расположенную поверх переходного клапана расширения, причем по меньшей мере две или несколько мишеней расположены внутри винтовой концевой секции.

18. Двигатель по п.17, в котором спирали винтовой концевой секции идут в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки.

19. Двигатель по п.12, в котором переходный клапан расширения представляет собой открывающийся наружу клапан.

20. Двигатель по п.12, в котором:
источник газа высокого давления представляет собой цилиндр сжатия, который содержит поршень сжатия, введенный в него с возможностью скольжения, причем цилиндр сжатия соединен с коленчатым валом так, что поршень сжатия действует так, чтобы совершать возвратно-поступательное движение в течение такта впуска и такта сжатия при одном обороте коленчатого вала; причем
переходный канал соединяет цилиндры расширения и сжатия.

21. Способ впрыска топлива в двигателе, содержащий: коленчатый вал, выполненный с возможностью вращения относительно своей оси; поршень расширения, введенный в цилиндр расширения с возможностью скольжения и соединенный с коленчатым валом так, что поршень расширения совершает возвратно-поступательное движение в течение такта расширения и такта выпуска при одном обороте коленчатого вала; переходный канал, имеющий стенки и соединяющий источник газа высокого давления с цилиндром расширения; переходный клапан расширения, расположенный на выходном конце переходного канала и действующий так, чтобы управлять связью между переходным каналом и цилиндром расширения, причем клапан содержит головку клапана и шток клапана, идущий от головки клапана; и топливный инжектор, впрыскивающий топливо в переходный канал; причем топливный инжектор содержит множество распылительных отверстий, расположенных в сопловой части топливного инжектора; причем способ включает в себя следующие операции:
нацеливание каждого распылительного отверстия на одну из двух мишеней, на которую направляют топливо, выходящее из распылительных отверстий, чтобы образовать две формы распыла, причем две мишени расположены выше положения на седле головки переходного клапана расширения и между стенками переходного канала и штоком указанного клапана расширения, так что формы распыла охватывают с двух сторон шток клапана;
начало впрыскивания топлива из топливного инжектора в направлении выходного конца переходного канала;
открывание переходного клапана расширения и
окончание впрыскивания топлива до закрывания открытого указанного клапана расширения.

22. Способ по п.21, в котором впрыскивание топлива начинают до открывания указанного клапана расширения.

23. Способ по п.21, в котором впрыскивание топлива начинают после открывания указанного клапана расширения.

24. Способ по п.21, который включает в себя следующие операции:
создание воздушного потока из переходного канала в цилиндр расширения через открытый переходный клапан расширения;
продвижение двух форм распыла в воздушный поток, так что одна указанная форма распыла будет вытянута поверх и поперек штока указанного клапана расширения и будет сливаться с другой указанной формой распыла, чтобы образовать единственный объединенный факел распыла.

25. Способ по п.24, который дополнительно включает в себя операцию вытягивания объединенного факела распыла в направлении кромки выходного конца переходного канала, за счет чего объединенный факел распыла выходит из переходного канала через указанный клапан расширения.

26. Способ по п.21, в котором указанный клапан расширения открывается наружу из цилиндра расширения.

27. Способ по п.21, в котором продолжительность акта впрыска от начала впрыска топлива до окончания впрыска топлива составляет ориентировочно 45° угла поворота коленчатого вала или меньше, преимущественно 40° угла поворота коленчатого вала или меньше, а предпочтительнее 35° угла поворота коленчатого вала или меньше.