ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КОМПРЕССИОННЫМ ЗАЖИГАНИЕМ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2013 года по МПК F02D13/02 F02D23/02 

Настоящее изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с компрессионным зажиганием и наддувом. Изобретение относится также к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания.

Поршень двигателя внутреннего сгорания передает энергию, выделенную при помощи сжигания топлива, через поршневой палец на шатун и далее на кривошипно-шатунный механизм. Поршень перекрывает цилиндр двигателя посредством поршневых колец так, чтобы передача энергии произошла без излишних потерь. Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания ограничена частично верхней частью поршня, гильзой цилиндра и частично головкой блока цилиндров. Эта область подвержена существенным тепловым воздействиям. Стенки поршня, проходят в продольном направлении цилиндра и расположенные ниже поршневых колец, направляют перемещения поршня и служат в качестве смазочных поверхностей. В современных двигателях с компрессором поршни имеют еще более жесткие требования.

Поршень подсоединен к коленчатому валу двигателя посредством шатуна, который подсоединен к поршню пальцем с его одного конца и к коленчатому валу подшипником большой головки шатуна. Главными конструкционными факторами двигателя являются отношение диаметр цилиндра/ход поршня, отношение длина шатуна/ход поршня. Важным функциональным признаком среди прочих являются показатели степени сжатия, фаз газораспределения, скорости вращения, наддува и подачи топлива.

Сгорание топлива в двигателе внутреннего сгорания с компрессионным зажиганием и преобразование энергии топлива в механическое действие находится под влиянием различных факторов, некоторые из которых связаны с процессами, тогда как некоторые факторы относятся к механической конструкции двигателя. Процесс сгорания в двигателе с компрессионным зажиганием в значительной степени зависит от формы камеры сгорания. Поэтому форма верхней части поршня имеет большое значение для рабочих параметров двигателя.

Существуют различные раскрытия в предшествующем уровне техники, описывающие осесимметричные выемки, скомпонованные сверху поршня. Например, в патентах США №№6732703, 6966294 и 7210448 показаны эти виды формы верхней части поршня. Вышеупомянутые патенты обращаются к проблемам, относящимся к современным требованиям проблем охраны окружающей среды, заключающихся в выхлопных газах, а также перемещении сажи через поршневые кольца в смазочное масло. Они, в основном, относятся к форме верхней части поршня и взаимодействию между поршнем и топливным инжектором, в котором форма выемки поршня и угол струи впрыска, заставляют факел аэрозоли сталкиваться и соприкасаться с поверхностью выемки поршня, определенным образом, после выхода из отверстия инжектора. Главным вопросом патентов является контроль за выбросами и, в частности, за выбросами NO_x.

Несмотря на то, что форма поршня, показанная в них, может быть сама по себе преимущественной, появилась необходимость дополнительного совершенствования конструкции и работы двигателя с компрессионным зажиганием, так что могут быть предоставлены еще более улучшенные рабочие параметры.

Задачей изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания с компрессионным зажиганием и наддувом, который отвечает целям изобретения. Также задачей изобретения является создание способа работы двигателя внутреннего сгорания, который приводит к улучшенным рабочим параметрам, при сохранении низких уровней выбросов выхлопного газа, в частности, выбросов NO_x.

В связи с этим, термин «проценто-градусы» (% град.) означает интеграл относительного положения клапана по диапазону угла поворота коленчатого вала, в котором процентное отношение означает положение клапана по отношению к диаметру цилиндра.

Задачи изобретения отвечают по существу тем, которые раскрыты в пунктах 1 и 13 формулы изобретения. Другие пункты формулы изобретения представляют больше подробностей разных вариантов осуществления изобретения.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, двигатель внутреннего сгорания с компрессионным зажиганием и наддувом, содержащий блок, в котором размещен, по меньшей мере, один цилиндр, головку блока цилиндров, выполненную в соединении с цилиндром и снабженную, по меньшей мере, одним впускным клапаном и, по меньшей мере, одним выпускным клапаном, клапанный механизм, предназначенный для управления клапанами в головке блока цилиндров, поршень, размещенный в цилиндре с возможностью перемещения между его верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой. Клапанный механизм выполнен с возможностью управления таким образом, что площадь продувки, ограниченная кривыми, показывающими кривые относительного положения впускного и выпускного клапанов по отношению к углу поворота коленчатого вала, и горизонтальной осью, показывающей углы поворота коленчатого вала, в течение которой впускные и выпускные клапаны одновременно открыты, составляет от 80 до 120 проценто-градусов, где проценто-градусы означают интеграл относительного положения клапана по диапазону угла поворота коленчатого вала, в котором процентное отношение означает положение клапана по отношению к диаметру цилиндра. Таким образом, обеспечена очень эффективная продувка, которая позволяет компоновать двигатель, работающий с достаточно высокими рабочими параметрами, без чрезмерного ущерба для его надежности.

Когда клапанный механизм работает так, что площадь (S) продувки имеет свое максимальное значение, составляющее менее 3% от диаметра цилиндра, степень сжатия двигателя может быть увеличена, позволяя верхней части поршня подходить достаточно близко к головке блока цилиндров и клапанам. Это, в частности, предпочтительно с формой поршня согласно варианту осуществления изобретения, в котором средняя верхняя область поршня находится на том же уровне, что и крайняя верхняя область поршня, так что степень сжатия двигателя увеличена формой поршня.

Клапанный механизм, таким образом, выполнен с возможностью удержания впускного и выпускного клапанов одновременно открытыми между тактами выпуска и впуска, так что увеличенная тепловая нагрузка, вызванная увеличенной степенью сжатия, по существу скомпенсирована.

Согласно варианту осуществления изобретения кривая впускного клапана имеет площадь (% град.), которая превышает площадь кривой выпускного клапана. Таким образом, продувочный воздух, давление которого поддерживается компрессором турбокомпрессора, может легче входить в камеру сгорания и далее выходить из камеры сгорания через выходной клапан (клапаны).

Предпочтительно, впускной клапан выполнен с возможностью открывания не позднее, чем на 1%, когда угол поворота коленчатого вала составляет 335°, а выпускной клапан выполнен с возможностью открывания на 1%, по меньшей мере, пока угол поворота коленчатого вала не составит 385°.

Предпочтительно, клапанный механизм выполнен с возможностью удержания впускного клапана и выпускного клапана, по меньшей мере, частично открытыми между углом поворота коленчатого вала 310-410°.

Предпочтительно, поршень снабжен выемкой, имеющей глубину и расположенной в верхней части поршня, и по существу плоской крайней областью, окружающей выемку, причем выемка содержит среднюю верхнюю область, коническую область, радиально продолжающуюся по направлению к границе поршня под углом таким образом, что глубина выемки увеличивается по направлению к границе поршня, и область криволинейного участка, имеющую радиус, скомпонованную радиально за конической областью так, что глубина выемки уменьшается, и скос между областью криволинейного участка и плоской крайней областью поршня, причем средняя верхняя область поршня находится на том же уровне, что и плоская крайняя область, так что степень сжатия двигателя увеличена формой поршня.

Предпочтительно, клапанный механизм выполнен с возможностью удержания впускного и выпускного клапанов одновременно открытыми между тактами выпуска и впуска, так что увеличенная тепловая нагрузка, вызванная увеличенной степенью сжатия, по существу скомпенсирована.

Предпочтительно, расстояние вытеснения в положении ВМТ составляет около 3,5-4% от диаметра цилиндра.

Предпочтительно, отношение глубины выемки к радиусу области криволинейного участка составляет около 0,9-1,2.

Согласно второму объекту изобретения создан способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с компрессионным зажиганием и наддувом, содержащего блок, в котором размещен, по меньшей мере, один цилиндр, головку блока цилиндров, выполненную в соединении с цилиндром и снабженную, по меньшей мере, одним впускным клапаном и, по меньшей мере, одним выпускным клапаном, клапанный механизм, предназначенный для управления клапанами в головке блока цилиндров, поршень, размещенный в цилиндре и совершающий возвратно-поступательные перемещения между его верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой. Клапанным механизмом управляют таким образом, что площадь продувки, ограниченная кривыми, показывающими кривые относительного положения впускного и выпускного клапанов по отношению к углу поворота коленчатого вала, и горизонтальной осью, показывающей углы поворота коленчатого вала, в течение которой впускные и выпускные клапаны одновременно открыты, составляет от 80 до 120 проценто-градусов, где проценто-градусы означают интеграл относительного положения клапана по диапазону угла поворота коленчатого вала, в котором процентное отношение означает положение клапана по отношению к диаметру цилиндра.

Предпочтительно, поршнем совершают возвратно-поступательные движения таким образом, что он подводится на 3,5-4% расстояния диаметра цилиндра от головки блока цилиндров в положении ВМТ. Это обеспечивает по существу высокую степень сжатия и оптимизированное расстояние между краями поршня и головкой блока цилиндров в положении ВМТ.

Предпочтительно, впускной клапан открывают не позднее, чем на 1%, когда угол поворота коленчатого вала составляет 335°, а выпускной клапан открывают на 1%, по меньшей мере, пока угол поворота коленчатого вала не составит 385°. Это обеспечивает очень широкую эффективную площадь продувки и позволяет клапанам работать так, что площадь продувки имеет свое максимальное значение, составляющее менее 3% от диаметра цилиндра.

Далее, настоящее изобретение будет описано со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых:

Фиг.1 - двигатель внутреннего сгорания с компрессионным зажиганием согласно варианту осуществления изобретения;

Фиг.2 - узел цилиндра двигателя, показанного на фиг.1;

Фиг.3 - более подробный вид верхней части поршня согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;

Фиг.4 - секция поршня с фиг.3, видимая по направлению А; и

Фиг.5 - относительное открытие впускного и выпускного клапана согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Фиг.1 схематично показывает двигатель 10 внутреннего сгорания с компрессионным зажиганием. Двигатель содержит цилиндры 20, скомпонованные в блоке 15 двигателя. Двигатель является двигателем с наддувом, снабженным турбокомпрессором 12, присоединенным к его системе газообмена.

Фиг.2 схематично показывает цилиндр в сборе двигателя 10 внутреннего сгорания с компрессионным зажиганием согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, из которого показана только часть его блока 15. В целях ясности показан только один цилиндр 20 двигателя 10 и ясно, что двигатель может содержать несколько цилиндров, скомпонованных, например, в линию, как видно на фиг.1, или, например, в виде V-конфигурации. Поршень 25 установлен продольно и с возможностью перемещения в цилиндре 20 двигателя. В связи с этим, продольное направление означает направление центральной оси 60 цилиндра. Поршень 25 присоединен к коленчатому валу 30 посредством шатуна 35. Таким образом, поршень 25 может совершать возвратно-поступательные движения между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Длина хода поршня двигателя, таким образом, ограничена размерами коленчатого вала 30.

Двигатель 10 снабжен также головкой 40 блока цилиндров, расположенной сверху каждого цилиндра 20. Головка 40 блока цилиндров, цилиндр 20 и поршень 25 ограничивают камеру 50 сгорания в каждом цилиндре двигателя. Топливный инжектор 55 также расположен в головке 40 блока цилиндров для впрыска топлива в камеру 50 сгорания. В варианте осуществления с фиг.2 топливный инжектор расположен на центральной оси 60 цилиндра и снабжен несколькими топливными отверстиями 551 впрыска (см. фиг.3) для того, чтобы обеспечить несколько одновременных по существу радиальных струй топлива в течение фазы впрыска.

В этом случае цилиндр 20 содержит отдельную гильзу 21 цилиндра, являющуюся съемной частью блока 15 двигателя. Головка 40 блока цилиндров снабжена, по меньшей мере, одним впускным клапаном 42 и, по меньшей мере, одним выпускным клапаном 44 для содействия газообмену в камере сгорания. Однако обычно современные четырехтактные двигатели содержат пару из впускного клапана и выпускного клапана. Впускной клапан 42 снабжен первым клапанным механизмом 421 для приведения в движение впускных клапанов 42 двигателя. Соответственно выпускной клапан 44 снабжен вторым клапанным механизмом 441 для приведения в движение выпускных клапанов 44 двигателя. Первый и второй клапанные механизмы могут также состоять из одного, объединенного клапанного механизма, управляющего как впускными, так и выпускными клапанами. Клапанный механизм снабжен соединением 70 с положением коленчатого вала 30 так, что положениями впускных клапанов и выпускных клапанов можно управлять также на основе угла поворота коленчатого вала и, таким образом, положения соответственного поршня. На практике существует несколько хорошо известных вариантов для реализации клапанного механизма. Соединение 70 может содержать механическую, гидравлическую или электрическую систему или комбинацию этих систем, посредством которых предоставлен правильно согласованный по времени режим подъема каждого клапана.

Фиг.3 показывает более подробно верхнюю часть поршня 25 согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения в положении ВМТ в цилиндре 20. На фиг.3 показана только половина верхней части цилиндра вследствие того, что цилиндр является симметричным относительно его центральной оси. На фиг.4 показана секция поршня с фиг.3 по направлению А.

Поршень 25 расположен в цилиндре 20, имеющем диаметр DC. В связи с этим, более важно определение диаметра цилиндра, чем диаметра поршня, потому что это поверхность цилиндра, которая частично ограничивает камеру сгорания двигателя 10. Верхняя часть поршня снабжена выемкой 251, которая осесимметрична относительно центральной оси 60. Выемка имеет диаметр DB. Поршень также имеет по существу плоскую крайнюю область 256, проходящую радиально между выемкой 251 и внешней кромкой поршня, охватывающей верхнюю часть поршня. Плоскость плоской крайней области 256 составляет по существу угол в 90° относительно центральной оси 60 цилиндра. Диаметр выемки DB определен согласно изобретению отношением диаметр DC цилиндра/диаметр DB выемки, составляющим около 1,15-1,65. Выемка поршня является относительно глубокой и имеет глубину 260. Глубина выемки означает максимальное расстояние выемки, продолжающееся в поршень от его края верхней части. Глубина 260 выемки определена согласно изобретению отношением диаметр DC цилиндра/глубина 260 выемки, составляющим около 9,2-12,2. Это обеспечивает, наряду с диаметром выемки, основы компоновки соответственно образованной (радиально) внешней области выемки, которые объяснены в нижеследующем.

Выемка 251 поршня содержит следующие радиальные области. Во-первых, средняя верхняя область 252 верхней части поршня имеет криволинейную форму с радиусом R₁. Эта область является относительно малой, имеющей свой диаметр около менее, чем 10% от диаметра DC цилиндра 20. Радиус R₁ составляет около 10% от диаметра DC цилиндра. Средняя область верхней части находится по существу в том же продольном положении с плоской крайней областью 256 в направлении центральной оси 60 поршня. Таким образом, выемка 251 образована вокруг средней области.

Следующей областью выемки 251 на верхней части поршня является коническая область 253. Коническая область 253 скомпонована радиально за серединой поршня в виде его продолжения. В связи с этим, радиальное направление является направлением от центральной оси поршня в сторону границы поршня. Форма конической области является усеченным конусом, радиально продолжающимся по направлению к границе поршня 2 5 между средней верхней областью 252 и следующей областью, а именно областью 254 криволинейного участка. Поверхность конической области находится под углом α относительно центральной оси 60 цилиндра. Угол составляет 65°<α<75°. Область 254 криволинейного участка, в свою очередь, имеет радиус R₂. Преимущественно глубина 260 выемки/радиус R₂ участка - отношение составляет около 0,9-1,2. Это обеспечивает форму, которая наряду с другими признаками изобретения вносит полезные результаты в работу двигателя. Угол а вместе с областью криволинейного участка приводит к улучшенному распространению пламени и вихревому образованию в камере сгорания двигателя 10.

Как упоминалось, поршень имеет по существу плоскую крайнюю область 256, продолжающуюся радиально между выемкой 251 и внешней кромкой поршня, обращенной к головке блока цилиндров. Область 254 криволинейного участка выемки и крайняя область 256 соединены друг с другом посредством скоса 255, имеющего радиус R₃. Отношение глубина 260 выемки/радиус R₃ скоса составляет около 2,4-3. При этом виде формы выемки поршня, вместе с компоновкой топливного инжектора, которая будет описана далее, могут быть обеспечены улучшенные направление топливной струи и, таким образом, созданный факел.

Топливный инжектор 55 скомпонован по центральной оси 60 цилиндра. Инжектор снабжен несколькими отверстиями 551, направленными радиально и скомпонованными с равными промежутками от кончика инжектора. Направление 552 каждого топливного отверстия впрыска находится под углом β относительно центральной оси 60 цилиндра. Угол β является таким, что направление топливной струи является по существу направлением в сторону области 254 криволинейного участка поршня. Угол а по существу меньше, чем угол β, так что топливная струя и факел взаимодействует с поверхностью поршня так, что происходит уменьшенное распространение пламени по направлению к гильзе цилиндра и более сильное поперечное и внутреннее распространение пламени. Таким образом, при работе двигателя топливная струя и созданный факел, в основном, сталкиваются с областью 254 криволинейного участка поршня. Это приводит к требуемой форме впрыснутого топлива, и газам, вызванным топливом и созданной передней границей пламени.

Начало впрыска топлива происходит не ранее, чем за 20° до ВМТ и не позднее ВМТ. Таким образом, большая часть факела, созданного впрыском топлива и инициировавшего сгорание, образовано в то время, когда поршень движется вниз, как показано на фиг.3 поршнем в нижнем положении 25′ пунктирной линией, так, что выполнен требуемый режим сгорания. Кроме того, факел направлен в сторону области 254 криволинейного участка поршня, и из-за формы выемки факел разделяется в значительной степени на противоположные радиальные потоки 265, как изображено на фиг.4. Впрыском управляют так, что продолжительность периода впрыска является такой, что основная часть созданного факела сталкивается с областью 254 криволинейного участка. Таким образом, соприкосновение пламени с поверхностью цилиндра является таким низким, что тепловая нагрузка на гильзу и пленку смазочного масла является минимальной.

Средняя область 252 поршня находится в направлении центральной оси 60 по существу на том же уровне, что и крайняя область 256, что делает объем V_c сжатия по существу меньше. Таким образом, степень сжатия, т.е. отношение объема, колеблющегося из-за поршня между ВМТ и НМТ + объем V_c сжатия к объему V_c сжатия, в двигателе согласно изобретению достаточно высока. Преимущественно, степень сжатия составляет от 15 до 18. Это обеспечивает значительное снижение расхода топлива, а также тенденцию увеличения тепловой нагрузки на камеру сгорания.

Далее, для того чтобы скомпенсировать увеличенную тепловую нагрузку, вызванную по существу малым объемом V_c сжатия, в двигателе согласно изобретению первый клапанный механизм 421 для приведения в движение впускных клапанов 42 двигателя и второй клапанный механизм 441 для приведения в движение впускных клапанов 44 двигателя выполнены с возможностью работать особым образом, что объяснено далее со ссылкой на фиг.5.

Кроме того, работа двигателя может быть еще улучшена наличием расстояния 265 вытеснения, т.е. расстояния между плоской крайней областью 256 поршня и головкой блока цилиндров, по существу малым в положении ВМТ поршня. Предпочтительно расстояние вытеснения в ВМТ составляет около 3,5-4% от диаметра DC цилиндра. Зазор между краем верхней части поршня и головкой блока цилиндров (расстояние вытеснения) вместе с формой поршня согласно изобретению обеспечивает возможность использования относительно высокой степени сжатия и в то же время уменьшает соприкосновение пламени с гильзой цилиндра. Кроме того, расстояние вытеснения создает увеличенное завихрение в камере сгорания по существу до начала впрыска топлива, улучшая зажигание и процесс сгорания.

Также, инжектор 55 находится очень близко к средней области 252 поршня в его положении ВМТ и, таким образом, во время начала впрыска топлива. На практике это означает, что верхняя поверхность поршня участвует эффективно в направлении топлива и пламени, а также созданного факела в сторону области криволинейного участка.

Вследствие более высокой степени сжатия тепловая нагрузка, в частности, на выпускной клапан, будет увеличена достаточно сильно. Для того чтобы избежать чрезмерной тепловой нагрузки, клапанный механизм 421, 441 может работать определенным образом, что обеспечивает синергетический эффект работе двигателя 10 вместе с вышеописанной формой верхней части поршня и компоновкой впрыска топлива. Работа клапанного механизма описана далее со ссылкой на фиг.5. Фиг.5 иллюстрирует относительное положение впускного клапана 510 и выпускного клапана 500 в отношении угла (СА) поворота коленчатого вала согласно варианту осуществления изобретения. Также показаны соответственные кривые 510.1, 500.1 для компоновки предшествующего уровня техники на фиг.5. Относительное положение клапана определено как процентное отношение открытия клапана по отношению к диаметру цилиндра, что делает сравнение клапана с другими двигателями более легким. Кривая 520 отображает положение верхней части поршня по отношению к головке блока цилиндров согласно варианту осуществления изобретения. Соответственно также показана кривая 520.1, изображающая положение верхней части поршня по отношению к головке блока цилиндров для компоновки предшествующего уровня техники на фиг.5.

Двигатель работает так, что в то время, когда двигатель находится в рабочем состоянии, кривошипно-шатунный механизм двигателя может подводить поршень близко к головке блока цилиндров так, что расстояние вытеснения составляет около 3,5-4% от диаметра DC цилиндра, и степень сжатия составляет около 15-18, и после такта сжатия впрыск топлива начинают при угле поворота коленчатого вала поршня между 20° до ВМТ и ВМТ, обеспечивая повышение давления в камере сгорания поршня. Как видно из фиг.5, поршень находится на расстоянии около 3,5% от головки блока цилиндров в положении ВМТ, т.е. при угле поворота коленчатого вала 360°. На практике поршень может быть подведен на расстояние 3,5-4% от головки блока цилиндров в положении ВМТ. Так как степень сжатия согласно изобретению является относительно высокой, дополнительная ступень давления, вызванная сгоранием, составляет около 5-35% от давления, вызванного сжатием. После сгорания топлива камера сгорания и газы в ней расширяются и перемещают поршень от головки блока цилиндров. После этого угол поворота коленчатого вала (нулевой угол, являющийся ВМТ после такта сжатия, с длиной цикла 720 градусов) достиг около 124 градусов (не показано). При около 190-градусном угле поворота коленчатого вала выпускной клапан (клапаны) достиг 7,7% своего открытия, т.е. своего максимума. Кривые подъема клапанов представляют собой, предпочтительно, полиноминальные кривые или криволинейные секции.

Далее, вследствие высокой степени сжатия и давления сгорания, как объяснено выше, приняты специальные меры для продувки камеры сгорания двигателя. Клапанный механизм может работать так, что образована так называемая треугольная площадь S продувки, в течение которой впускные и выпускные клапаны одновременно открыты. Это показано диагонально заштрихованной площадью на фиг.5, площадь которой ограничена клапанными кривыми 500, 510 и горизонтальной осью, т.е. углом поворота коленчатого вала. Площадь S также определена значением «проценто-градусы» (% град.), которое означает интеграл относительного положения клапана по диапазону угла поворота коленчатого вала. Согласно изобретению треугольная площадь S продувки составляет 80≤S≤120 проценто-градусов (% град.). Площадь проценто-градусов определяет кривые открытия клапанов по отношению к углу поворота коленчатого вала и, таким образом, определяет работу клапанного механизма. Таким образом, согласно изобретению продувка в достаточной степени сбалансирована с результатами поршня в процессе сгорания согласно изобретению. Кроме того, заслуживает внимания то, что треугольник продувки по существу широкий и низкий, по сравнению с примерным решением предшествующего уровня техники, т.е. клапанные кривые 500, 510 являются такими после начального открытия впускного клапана и до окончательного закрытия выпускного клапана, кривые достаточно пологие. В точке пересечения кривых 530 положение клапанов составляет около 2,6%.

Для того чтобы получить преимущества изобретения точка пересечения кривых 530, которая является также пиком площади S продувки, составляет меньше, чем 3%. Таким образом, при условии, что безопасное минимальное расстояние 540 между поршнем и клапанами сохранено достаточно большим, фактическая форма кривых 500, 510 и треугольник продувки могут быть еще шире, как отображено линиями 500′, 510′. Таким образом, основной идеей является предоставление по существу низкого треугольника продувки, причем пик составляет менее 3%, и еще имеющего площадь 80≤S≤120 проценто-градусов (% град.). Как показано на фиг.5, кривые подъема не должны быть симметричными для впускных и выпускных клапанов.

Как упоминалось выше, кривые впускного и выпускного клапана могут быть разной формы. Было установлено, что хорошие результаты могут быть получены также с конфигурацией, в которой кривая 510 впускного клапана ниже 360° СА образует площадь (% град.) больше, чем кривая 500 выпускного клапана выше 360° СА. Это может быть внедрено с помощью использования продолжения 510′ в работе впускного клапана при использовании кривой 500 без продолжения 500' в работе выпускного клапана. В такой конфигурации зазор между выпускным клапаном и поршнем может быть оставлен больше.

Площадь S продувки достаточно широкая, так как согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения впускной клапан выполнен с возможностью открываться на 1% не позднее, когда угол поворота коленчатого вала составляет 335°, а выпускной клапан выполнен с возможностью еще быть открытым на 1%, по меньшей мере, пока угол поворота коленчатого вала не составит 385°.

Поршень находится на расстоянии около 3,5% от головки блока цилиндров в положении ВМТ, т.е. при угле поворота коленчатого вала 360°, поэтому существует зазор, по меньшей мере, 0,5% между клапанами и поршнем.

Изобретение, в частности, подходит для двигателей, имеющих диаметр цилиндра больше, чем 200 мм и работающих с низкокачественным жидким топливом таким, как тяжелое дизельное топливо. Тяжелое дизельное топливо вызывает несколько факторов, характерных для его содержания в сгорании. Например, температура выхлопного газа до турбины имеет большое влияние на тенденцию к загрязнению ее поверхностей. Способ продувки согласно изобретению сохраняет температуру выхлопного газа на приемлемом уровне. Нижеследующее является примером некоторых данных для двигателя, имеющего диаметр своего цилиндра 460 мм:

- глубина выемки = 38-50 мм;

- диаметр выемки = 1,15-1,65 мм;

- радиус R₁<4 6 мм;

- радиус R₂=36-48 мм;

- радиус R₃=12,6-21 мм;

- расстояние вытеснения в ВМТ=16 мм;

- треугольная площадь S продувки = 110 %град.;

- точка пересечения кривых подъема клапанов = 12 мм.

Открытие впускного клапана (клапанов) начинается при угле поворота коленчатого вала 300-320°. В кривой 510 подъема варианта осуществления с фиг.5 открытие впускного клапана начинается при угле поворота коленчатого вала 310°. Закрытие выпускного клапана (клапанов) начинается при угле поворота коленчатого вала около 310°. Между углами поворота коленчатого вала около 310-410 градусов происходит фаза продувки, в течение которой и впускной, и выпускной клапаны одновременно, по меньшей мере, частично открыты, при этом свежий воздух, поступающий через впускной клапан (клапаны) в камеру сгорания, может течь через пространство камеры сгорания. Это обеспечивает продолжительную продувку, которая в свою очередь обеспечивает использование увеличенной степени сжатия, таким образом, улучшая рабочие параметры двигателя.

Следует отметить, что компрессор турбокомпрессора 12 (см. фиг.1) может обеспечивать достаточное давление для получения соответствующей функции продувки. Треугольная площадь S продувки изобретения обеспечивает очень эффективную продувку вследствие большего потока продувочного воздуха через клапаны. Кроме уменьшения тепловой нагрузки на камеру сгорания, это также обеспечивает пониженную температуру выхлопного газа до турбины, что в двигателе, работающем на тяжелом дизельном топливе, уменьшает тенденцию к загрязнению турбины турбокомпрессора. Хотя изобретение было здесь описано в качестве примеров в связи с тем, что в настоящее время считается наиболее предпочтительными вариантами осуществления, должно быть понятно, что изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, а предназначено для охвата различных сочетаний или модификаций его признаков и нескольких других применений, входящих в объем изобретения, определяемого только прилагаемой формулой изобретения. Подробности, упомянутые выше в связи с любым вариантом осуществления, могут быть использованы в другом варианте осуществления, когда это технически возможно.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания с компрессионным зажиганием и наддувом содержит блок, в котором размещен, по меньшей мере, один цилиндр, головку блока цилиндров, выполненную в соединении с цилиндром и снабженную, по меньшей мере, одним впускным клапаном и, по меньшей мере, одним выпускным клапаном. Клапанный механизм предназначен для управления клапанами в головке блока цилиндров. Поршень размещен в цилиндре с возможностью перемещения между его верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Клапанный механизм выполнен с возможностью управления таким образом, что площадь (S) продувки, ограниченная кривыми (500) и (510), показывающими кривые относительного положения впускного и выпускного клапанов по отношению к углу поворота коленчатого вала, и горизонтальной осью, показывающей углы поворота коленчатого вала, в течение которой впускные и выпускные клапаны одновременно открыты, составляет от 80 до 120 проценто-градусов (% град.), где проценто-градусы означают интеграл относительного положения клапана по диапазону угла поворота коленчатого вала, в котором процентное отношение означает положение клапана по отношению к диаметру цилиндра. Раскрыт способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в улучшении продувки при сохранении низких выбросов выхлопных газов. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двигатель (10) внутреннего сгорания с компрессионным зажиганием и наддувом, содержащий блок (15), в котором размещен, по меньшей мере, один цилиндр (20), головку (40) блока цилиндров, выполненную в соединении с цилиндром и снабженную, по меньшей мере, одним впускным клапаном (42) и, по меньшей мере, одним выпускным клапаном (44), клапанный механизм (421, 441), предназначенный для управления клапанами (42, 44) в головке блока цилиндров, поршень (25), размещенный в цилиндре с возможностью перемещения между его верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ), отличающийся тем, что клапанный механизм (421, 441) выполнен с возможностью управления таким образом, что площадь (S) продувки, ограниченная кривыми (500) и (510), показывающими кривые относительного положения впускного и выпускного клапанов по отношению к углу поворота коленчатого вала, и горизонтальной осью, показывающей углы поворота коленчатого вала, в течение которой впускные и выпускные клапаны одновременно открыты, составляет от 80 до 120 проценто-градусов (% град.), где проценто-градусы означают интеграл относительного положения клапана по диапазону угла поворота коленчатого вала, в котором процентное отношение означает положение клапана по отношению к диаметру цилиндра.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что клапанный механизм (421, 441) выполнен с возможностью управления таким образом, что площадь (S) продувки имеет свое максимальное значение, составляющее менее 3% от диаметра цилиндра (20).

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что площади (% град.), образованные кривой (510) впускного клапана и кривой (500) выпускного клапана, имеют различные размеры.

4. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что площади (% град.), образованные кривой (510) впускного клапана и кривой (500) выпускного клапана, имеют различные размеры.

5. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что кривая (510) впускного клапана имеет площадь (% град.), превышающую площадь кривой (500) выпускного клапана.

6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что кривая (510) впускного клапана имеет площадь (% град.), превышающую площадь кривой (500) выпускного клапана.

7. Двигатель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что впускной клапан выполнен с возможностью открывания не позднее, чем на 1%, когда угол поворота коленчатого вала составляет 335°, а выпускной клапан выполнен с возможностью открывания на 1%, по меньшей мере, пока угол поворота коленчатого вала не составит 385°.

8. Двигатель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что клапанный механизм (421, 441) выполнен с возможностью удержания впускного клапана (42) и выпускного клапана (44), по меньшей мере, частично открытыми между углом поворота коленчатого вала 310-410°.

9. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поршень (25) снабжен выемкой (251), имеющей глубину (260) и расположенной в верхней части поршня, и, по существу, плоской крайней областью (256), окружающей выемку, причем выемка (251) содержит среднюю верхнюю область (252), коническую область (253), радиально продолжающуюся по направлению к границе поршня под углом (а) таким образом, что глубина выемки увеличивается по направлению к границе поршня (25), и область (254) криволинейного участка, имеющую радиус (R₂), скомпонованную радиально за конической областью так, что глубина выемки уменьшается, и скос (255) между областью криволинейного участка и плоской крайней областью (256) поршня, причем средняя верхняя область (252) поршня находится на том же уровне, что и плоская крайняя область (256), так что степень сжатия двигателя (10) увеличена формой поршня.

10. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что клапанный механизм (421, 441) выполнен с возможностью удержания впускного и выпускного клапанов одновременно открытыми между тактами выпуска и впуска, так что увеличенная тепловая нагрузка, вызванная увеличенной степенью сжатия, по существу, скомпенсирована.

11. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что расстояние (265) вытеснения в положении ВМТ составляет около 3,5-4% от диаметра (DC) цилиндра.

12. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что отношение глубины (260) выемки к радиусу (R₂) области криволинейного участка составляет около 0,9-1,2.

13. Способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с компрессионным зажиганием и наддувом, содержащего блок (15), в котором размещен, по меньшей мере, один цилиндр (20), головку (40) блока цилиндров, выполненную в соединении с цилиндром и снабженную, по меньшей мере, одним впускным клапаном (42) и, по меньшей мере, одним выпускным клапаном (44), клапанный механизм (421, 441), предназначенный для управления клапанами (42, 44) в головке блока цилиндров, поршень (25), размещенный в цилиндре и совершающий возвратно-поступательные перемещения между его верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ), отличающийся тем, что клапанным механизмом (421, 441) управляют таким образом, что площадь (S) продувки, ограниченная кривыми (500) и (510), показывающими кривые относительного положения впускного и выпускного клапанов по отношению к углу поворота коленчатого вала, и горизонтальной осью, показывающей углы поворота коленчатого вала, в течение которой впускные и выпускные клапаны одновременно открыты, составляет от 80 до 120 проценто-градусов (% град.), где проценто-градусы означают интеграл относительного положения клапана по диапазону угла поворота коленчатого вала, в котором процентное отношение означает положение клапана по отношению к диаметру цилиндра.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что поршнем совершают возвратно-поступательные движения таким образом, что он подводится на 3,5-4% расстояния диаметра (DC) цилиндра от головки блока цилиндров в положении ВМТ.

15. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что впускной клапан открывают не позднее, чем на 1%, когда угол поворота коленчатого вала составляет 335°, а выпускной клапан открывают на 1%, по меньшей мере, пока угол поворота коленчатого вала не составит 385°.