Способ впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания с непосредственным впрыском,самовоспламенением и принудительным зажиганием

 

1. СПОСОБ ВПРЫСКА ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКОМ, САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ И ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ, снабженный размещенной в днище поршня камерой сгорания, имеющей форму тела вращения, с преобладанием вихревого движения воздуха вокруг ее продольнойоси, у которого топливо впрыскивается через форсунку с сопловым отверстием изменяющегося поперечного сечения, которое запирается подпружиненной иглой, причем топливо в области высоких частот вращения и/или нагрузок двигателя подают преимущественно в виде пленки на стенку камеры сгорания, а на холостом ходе и в области низких частот вращения и/или нагрузок двигателя происходит преимущественно непосредственное смещивание топлива с воздухом и при этом количество впрыскиваемого топлива регулируют в зависимости от нагрузки и частоты вращения, отличающийся тем, ято, с-целью уменьщения токсичности выхлопных газов и облегчения запуска, разделяют всю область рабочих режимов двигателя от холостого хода до полной нагрузки на несколько (например, четыре) областей и изменяют проходное сечение соплового отверстия путем поднятия иглы впрыскивающего распылителя в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя в отдельных областях, причем проходное сечение сопловогоотверстия увеличивают с помощью характеристики пружинящего элемента или дополнительных средств регулирования медленнее в области низких частот вращения и/или нагрузок, чем в области высоких частот вращения и/или нагрузок . 2.Способ по п. 1, отличаюСО щ и и с я тем, что величину максимального проходного сечения соплового отверстия в области низких нагрузок и частот вращения обеспечивают в пределах 3-15% проходного сечения в области номинальной нагрузки, а в области холостого хода - в iO раз меньще, чем области номинальной на ,грузки. 3.Способ по пп. 1 и 2, о т л иО ) чающийся тем, что давление впрыска топлива на номинальном режиме обеспечивают в 2-3 раза больше давления впрыска при минимальной частоте холостого хода двигателя. . 4. Способ по пп. 1-3, о т л и чающийс я тем, что обеспечивают количество топлива, впрыскнрземого на градус поворота коленчатого вала и литр рабочего объема. Б области холостого хода i±0,5 мм, а при номинальном режиме 2±1 мм. 5. Способ,по пп. 1-4, о т л ичающийся тем, что yroJT нача

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

1 ФЮ»

РЕСПУБЛИК (19) (П) з(Я) F 02 М 61 0

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н flATEHTV (21) 2933155/25-06 (22) 11.06.80 (31) P 2923670.2 (32) 12.06.79 (33) ФРГ (46) 30.08,84. Бюл. Р 32 (72) Альфред Найтц, Ханс Пикель (ФРГ) и Нунцио Д,Альфонсо (Италия) (71) М.A.Н. Машиненфабрик АугсбургНюрнберг АГ (ФРГ) (53) 621.43.038(088.8} (56) 1. Патент Франции Ф 2383320, кл. F 02 М 61/06, 1979. (54) (57) 1. СПОСОБ ВПРЫСКА ТОПЛИВА

В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКОМ, САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ И ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ

ЗАЖИГАНИЕМ, снабженный размещенной в днище поршня камерой сгорания, имеющей форму тела вращения, с преобладанием вихревого движения воздуха вокруг ее продольной оси, у которого топливо впрыскивается через форсунку с сопловым отверстием изменяющегося поперечного сечения, которое запирается подпружиненной иглой, причем топливо в области высоких частот вращения и/или нагрузок двигателя подают преимущественно в виде пленки на стенку камеры сгорания, а на холостом ходе и в области низких частот вращения и/или нагрузок двигателя происходит преимущественно непосредственное смешивание топлива с воздухом и при этом количество впрыскиваемого топлива регулируют в зависимости от нагрузки и частоты вращения, отличающийся тем, @то, с-целью уменьшения токсичности выхлопных газов и облегчения запуска, разделяют всю область рабочих режимов двигателя от холостого хода до полной нагрузки на несколько (например, четыре) областей и изменяют проходное сечение соплового отверстия путем поднятия иглы впрыскивающего распылителя в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя в отдельных областях, причем проходное сечение соплового отверстия увеличивают с помощью характеристики пружинящего элемента или дополнительных средств регулирования медленнее в области низких частот вращения и/или нагрузок, чем в области высоких частот вращения и/или нагрузок.

2. Способ по и. 1, о т и и ч а юшийся тем, что величину максимального проходного сечения саплового отверстия в области низких нагрузок и частот вращения обеспечивают в пределах 3-157 проходного сечения в области номинальной нагрузки, а в области холостого хода — в lO раз меньше, чем области номинальной на,грузки.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что давленииe впрыска топлива на номинальном режиме обеспечивают в 2-3 раза больше давления впрыска при минимальной частоте холостого хода двигателя.

4. Способ по пп. 1-3, о т л и ч а ю шийся тем, что обеспечивают количество топлива, впрыс,и немого на градус поворота коленчатого вала и литр рабочего объема. Б области холостого хода 0,5 мм-, а 3 при номинальном режиме 2ii мм .

5. Способ по пп. 1-4, о т и ич а ю шийся тем, что угол нача1111691 ла впрыска топлива при номинальной частоте вращения регулируют от номинальной нагрузки до холостого хода в пределах 20-50Х от диапазона регулирования угла начала впрыска в функции частоты вращения, причем эти пределы сохраняют неизменными во всей области рабочих частот вращения от номинала до холостого хода.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к cnoco" бам впрыска топлива в двигатель с преобладанием вихревого движения воздуха в камере сгорания, имеющей форму тела вращения, и пленочным смесеобразованием при впрыске через форсунку с изменяемой геометрией соплового отверстия.

Известен способ впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания с непосредственным впрыском, самовоспла менением и принудительным зажиганием, снабженный размещенной в днище поршня камерой сгорания, имеющей форму тела вращения, в которой преобладает вихревое движение воздуха вокруг ее продольной оси; топливо впрыскивается через форсунку с отверстием изменяющегося поперечного сечения, которое запирается подпружиненной иглой, причем топливо в области высоких частот вращения и/или нагрузок подают преимущественно в виде пленки на стенку камеры сгорания в то время как при холостом ходе, а также в области низких частот вращения и/или нагрузок двигателя происходит преимущественно непосредственное смешивание топлива с воздухом, при этом количество впрыскиваемого топлива регулируют в зависимости от нагрузки и частоты вращения j13.

Недостаток .известного способа впрыска топлива состоит в том, что он не обеспечивает одинакового эффек". та во всей области скоростных и на.грузочных режимов по уменьшению токсичности выхлопных газов и облегчению запуска двигателя вследствие

6. СпосоГ> по пп. 1-5, о т л ич а ю шийся тем, что «а постоянном скоростном режиме качало впрыска топлива в функции нагруэки начинают регулировать в пределах от 100 до 507 номинального количества впрыскиваемого топлива и регулируют вплоть до области холостого хода по зависимости, которая может иметь как линейный, так и нелинейный характер.

) трудности согласования характеристик топливоподачи с характеристиками работы двигателя.

Цель изобретения — уменьшение ток5 сичности выхлопных газов и облегче" ние запуска двигателя.

Цель достигается тем, что согласно способу впрыска топлива в двига1О тель внутреннего сгорания с непосредственным впрыском, самовоспламенением и принудительным зажиганием, снабженный размещенной в днище поршня камерой сгорания, имеющей форму тела вращения, с преобладанием вихревого .движения воздуха вокруг ее продольной оси, у которого топливо впрыскивается через форсунку с сопловым отверстием изменяющегося проходного

)О сечения, которое запирается подпружиненной иглой, причем топливо в области высоких частот вращения и/или нагрузок двигателя подают преи" мущественно в виде пленки на стенку

) камеры сгорания, а на холостом ходе и в области низких частот вращения и/или нагрузок двигателя происходит преимущественно непосредственное смешивание топлива с воздухом, при этом количество впрыскиваемого топлива регулируют в зависимости от нагрузки и частоты вращения, разделяют всю область рабочих режимов двигателя от холостого хода до полной нагрузки на несколько (например, четыре) областей и изменяют проходное сечение соплового отверстия путем поднятия иглы опрыскивающего распылителя в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя в отдельных

40 областях, причем проходное сечение

1111691 4 соплового отверстия увеличивают с помощью характеристики пружинящего элемента или дополнительных средств увеличивают медленное в области жидких частот вращения и/или нагрузок.

Величину максимального проходного сечения соплового отверстия в области низких нагрузок и частот вращения обеспечивают в пределах 3...15K промодного сечения в области номиналь- 1р ной нагрузки, а в области холостого хода в 10 раз меньше, чем в области номинальной нагрузки.

Давление впрыска топлива на номинальном режиме обеспечивают в 2... 3 раза больше давления впрыска при минимальной частоте холостого хода двигателя.

Обеспечивают количество топлива, впрыскиваемого на градус поворота ко-gp ленчатого вала и литр рабочего объема в области холостого хода 1 0,5 мм, а при номинальном режиме 2+ 1 мм .

Угол начала впрыска топлива при номинальной частоте вращений регулиру- 25 ют от номинальной нагрузки до холостого хода в пределах 20...507 от диапазона регулирования угла начала впрыска в функции частоты вращения, причем эти пределы сохраняют неизмен-ЗО ными во всей области рабочих частот вращения от номинальных до холостого. хода.

На постоянном скоростном режиме начало впрыска топлива в функции на35 грузки начинают регулировать в пределах 100-50 номинального количества впрыскиваемого топлива и регулируют вплоть до области холостого, хода по

4 зависимости, которая может иметь как линейный, так и нелинейный характер.

На фиг. 1 представлен график области рабочих режимов двигателя с разделением на отдельные области; на фиг. 2 — зависимость эффективного проходного сечения соплового отверстия форсунки от подъема иглы, на фиг. 3 — нижняя часть форсунки, реализующей предложенный способ впрыска 5О топлива, на фиг. 4-8 — различные варианты зависимости силы, действующей на иглу со стороны упругого элемента форсунки, от подъема иглы, на фиг. 4сила, действующая на иглу, выполне- 55 на в виде двух последовательных пружин, причем вторая пружина встроена без преднатяга, на фиг. 5 — то же, с преднатягом; на фиг. 6 — характеристика стальной пружины, действующей на иглу, возрастает до максимума; на фиг. 7 - сила, действующая на иглу, оказываемая пружиной и гидравлическим упругим элементом, на фиг. 8— то же, при открытии и закрытии иглы форсунки; на фиг. 9 — зависимость давления впрыска топлива (Р) и подъема иглы форсунки (Н) от хода поршня (э ) двигателя вблизи верхней мертвой точки (ОТ); на фиг. 10— диаграмма регулировки начала впрыска топлива (Я ) от частоты вращения двигателя (n ); на фиг. 11 — зависимость изменения начала впрыска топлива (сс ) от количества впрыскиваемого топлива (с р ).

Способ впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.

Всю область рабочих режимов двигателя (фиг. 1) от холостого хода (3) до полной нагрузки разделяют на несколько (например, четыре) областей (фиг. 1) и изменяют проходное сечение (фиг. 2, величина д Г ) соплового отверстия путем поднятия иглы (фиг. 2, величина Н) впрыскивающего распылителя (фиг. 3) в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя в отдельных областях.

Разделение на отдельные области производится таким образом, чтобы двигатель мог работать при одном, наиболее употребительном способе смесеобразования и способе смесеобразования, соответствующем данной области режимов. Изображенный в качестве примера на фиг. 1 набор областей показывает, что оптимизируемый двигатель предполагается применить для транспортных средств, осуществляющих преимущественно перемещение в городе. Для двигателя, эксплуатирующегося преимущественно в области полной нагрузки, области.!-4 разделяются линиями

5-7, смещаются влево. Если к двигателю предъявляются повышенные требования в части несгоЬевших углеводородов и синего дыма, то области I и 2 выбирают шире, чем области 3 и 4.

Эффективное проходное сечение соплового отверстия форсунки в зависимости от подъема иглы (фиг. 2) изменяют так, что в областях 1 и 2 при подъеме иглы форсунки до 307 максимального хода величина ц Р составляет 3...15X от ее максимальной вели11116

Ф чины (линия 8). Если зависимость

1А " H l определяемая типом форсун" ки и размерами сопловых отверстий,, имеет другую, например спрямленную форму, то соответственно меняется и 5 положение линий 5-7 на фиг. 1, разделяющих отдельные области.

Предложенный способ впрыска топлива реализуется, например, с помощью известной штифтовой форсунки (фиг.3). 1ц

В корпусе 9 форсунки 10 расположена игла 11, прилегающая по уплотнительной поверхности 12 к корпусу 9 форсунки. Дросселирующий штифт 13 иглы

11 входит с перекрытием 14 в сопловое отверстие 15, образуя дроссельную щель 16. При полностью открытой игле 11 (положение, изображенное пунктиром на Фиг. 3), дроссельная щель отсутствует. 20

В области 1 дросселирующий штифт

13 еще остается в сопловом отверстии

15, его подъем составляет приблизительно 507 перекрытия 14. В дроссель" ной щели 16 при впрыске обеспечивается высокое давление, что позволяет получить хорошее распыливание топлива.

В области 2 нижний цилиндрический конец дросселирующего штифта 13 дости 30 гает конца перекрытия 14, но еще не выходит из соплового отверстия

15, чем обеспечивается хорошее распиливание топлива.

Область 3 охватывает путь дроссе- д лирующего штифта 13 от конца перекрытия 14 до положения максимального открытия соплового отверстия 15.

Проходное сечение распылителя при этом непрерывно увеличивается, поэто- щ му топливная струя фокусируется.

В области 4 дросселирующий штифт

13 находится в течение большей части периода впрыска в максимально открытом положении, и струя топлива 4g в преобладающей части попадает на стенки камеры сгорания. Максимальное проходное сечение соплового отверстия форсунки выбирается в соответствии с продолжительностью и давле- у1 нием впрыска, необходимыми для режима максимальнОй мощности двигателя.

Соответствие свойств открытого проходного сечения форсунки режиму работы двигателя, т.е. положению дросселиру5 ющего штифта 13, может достигаться с помощью пружины, удерживающей иглу

l1 в закрытом положении. Постоянная

91 жесткость пружины является в ряде случаев уже недостаточной. Жесткость, возрастающая скачкообразно или непрерывно с увеличением подъема иглы, необходима, когда требуется точное выдерживание положения иглы при малых подъемах иглы или должно затормаживаться быстрое перемещение иглы после открытия клапана при низких частотах вращения и нагрузках. То же достигается благодаря комбинации механической пружины с гидравлическим упругим элементом, создающим дополнительную, пропорциональную давлению в трубопроводе силу, действующую на иглу форсунки.

Изменение поперечного сечения соплового отверстия позволяет производить впрыск от наименьшего до наибольшего количества топлива при относительно малом изменении давления в отверстии

15 форсунки по сравнению с обычным впрыском с неизменяемой геометрией соплового отверстия.

Другая возможность установки необходимого подъема иглы в зависимости от режима работы двигателя состоит в применении управляемого извне регулируемаго элемента. В этом случае может производиться впрыск при одинаковом давлении во всем поле характеристик двигателя или даже устанавливаться при низких частотах вращения и нагрузках двигателя более высоким, чем при высоких частотах вращения и нагрузках.

Необходимое изменение проходного сечения соплового отверстия форсунки достигается, например, путем включения в ряд двух пружин, обеспечивающих соответствующую характеристику изменения действующей на иглу силы (фиг. 4 и 5) ° При этом вторая пружина используется только после подъема иглы более 507 перекрытия !4 соплового отверстия l5 (см. пунктирные линии на фиг. 4 и 5). При этом вторая пружина используется только после подъема иглы более 507. перекрытия

14 соплового отверстия 15 (см. пунктирные линии на фиг. 4 и 5). Различие характеристик 17 (фиг. 4) и 18 (фиг. 5) заключается в том, что в первом случае (фиг. 4) вторая пружина встроена беэ преднатяга, а во втором случае (фиг. 5) с преднатягом.

Возможен вариант нелинейной характеристики пружины с прогрессивно возрастающей жесткостью по мере увеличения подъема иглы (фиг..б).

1111691

Большие возможности изменения ха-. рактеристики упругого элемента дает комбинированная система нагружения иглы форс нки (фиг. 7 и 8). В этом случае зависимость силы, действующей на иглу, аналогична изменению давления впрыска во время открывания иглы и также зависит от частоты вращения и количества влрыскиваемого топлива.

Сила, действующая на иглу, может 1О иметь различные характеристики лри открытии и закрытии иглы форсунки (фиг. 8), причем аналогично устройству с двумя пружинами гидравлический элемент вступает в работу только 15 после прохождения 50Х перекрытия 14 (фиг. 3).

Фактическое изменение давления впрыска топлива и подъема иглы форсунки (соответственно кривые 19 и 20 20 на фиг. 9) в зависимости от хода поршня двигателя (21) вблизи верхней мертвой точки происходит согласно заданной программы работы форсунки в соответствии с выбранными областями рабочих режимов двигателя 1-4.

На ординате 22 диаграммы на фиг.9 показан подъем иглы форсунки Н в процентах и соотношение давление влрыска к давлению открытия форсунки в 30 процентах. Абсцисса 21 представляет ход поршня .Я вблизи верхней мертвой точки ОТ в градусах угла поворота коленчатого вала. Кривые 19 показывают характеристику давления впрыска, 35 а кривые 20 — характеристику подъема иглы форсунки. В области 1 подъем иглы опять соответствует примерно

50Х перекрытия 14, а давление впрыска сравнительно велико. В области 2 40 подъем иглы форсунки продолжается вплоть до конца перекрытия 14 и в области 4 игла форсунки полностью открыта. Здесь давление впрыска (19) повышается существенно меньше. Давле- 4 ние впрыска достигает значений, только в 2-3 раза более высоких, чем давление открытия иглы, значения эффективного проходного сечения сопла форсунки 1 F на холостом ходу и полной нагрузке отличаются примерно на порядок (фиг. 2). Интенсивность впрыска 1t0 5 ммз (градус коленчатого вала и литр рабочего объема на холостом ходу) и 2 1 мм (градус поворота коленчатого вала и литр при полной

t нагрузке и номинальном числе оборотов).

Форсунка с неизменяемой геометрией отверстия сопла, которое выбрано для холостого хода, должна иметь лри полной нагрузке и высокой частоте вращения давление влрыска, которое на порядок превышает давление открытия, чтобы длительность влрыска могла оставаться довольно короткой.

Для оптимизации рабочего процесса двигателя целесообразно регулировать момент воспламенения не только в зависимости от частоты вращения, но и нагрузки. Более позднее начало влрыска топлива, обеспечиваемое форсункой с изменяемым проходным сечением соплового отверстия в соответствии с предложенным способом, позволяет уменьшить лериод задержки воспламенения и понизить шум в области частичных нагрузок и холостого хода, а также снизить максимальное давление сгорания, не ухудшая удельного расхода топлива и не повышая концентрации окиси углерода в выхлопных газах.

Угол начала нлрыска топлива лри номинальной частоте вращения регулируют от номинальной нагрузки до холостого хода в пределах 20...507 от диапазона регулирования угла начала влрыска в функции частоты вращения, причем эти пределы сохраняют неизменными во всей области рабочих частот вращения от номинала до холостого хода.

На фиг. 10 изображена диаграмма, показывающая регулировку начала влрыска в зависимости от частоты вращения. На оси ординат 23 отложена регулировка начала влрыска 3 в процентах от максимально возможной регулировки и на оси абсцисс 24 — число оборотов в процентах от номинального. Нрямая 25 показывает регулировку, необходимую на кривой полной нагрузки, линии 26, 2? ограничивают область, в которой находится кривая начала влрыска при количестве влрыска "ноль". Со снижением нагрузки начало впрыска перемещается в указанном стрелкой 28 направлении.

На постоянном скоростном режиме начало влрыска топлива в функции нагрузки начинают регулировать в пределах 100-507 номинального количества впрыскиваемогo топлива и регулируют вплоть до области холостого хода

Но зависимости, которая может иметь как линейный,так и нелинейный характер.

На фиг. 11 изображена зависимость изменения начала влрыска топлива от его количества.

9 11

На ординате 29 показан угол установки aL в процентах от максимальной установки начала впрыска, регулируемой в эаьисимости от нагрузки при постоянном числе оборотов.

I е полной нагрузки -

ыполной нагрузки -а„ где Ы полной нагрузки — угол начала впрыска при полной нагрузке, с, угол при количестве впрыска и =0

-гг Р

° о — угол начала впрыска топлива для данного количества впрыскиваемого топлива.

Углы с полной нагрузки c и о берут в градусах поворота коленчатого вала двигателя °

По абсциссе 30 отложены количества впрыскиваемого топлива в процентах от количества при полной нагрузке

9 полной нагp çêè.

Характеристика между регулировкой впрыска "нуль" (о е полной нагрузки) и регулировкой впрыска 100X (g =О) является, как показано линией 31, линейной, В отдельных случаях выгодно !

11Ь91

10 прежде всего при больших количествах впрыска делать малую регулировку или даже не делать ее, а оставлять начало впрыска при ос полной нагрузки

5 и производить регулировку только при меньших количествах впрыска, как показано кривой 32. Характеристика регулировки может быть закончена уже при с е =О, до 502 с1, полной нагруз10 ки, следовать, например, линии 33.

Таким образом, возможные характеристики заключены между линиями 34 и 35.

Линия 33 поясняет предельный случай, когда начало впрыска остается посто15 янным до тех пор, пока количество впрыскиваемого топлива не достигнет

50Х от его количества при полной нагрузке ° Линия 34 представляет предельный случай, когда регулировка

20 в зависимости от нагрузки начинается сразу и заканчивается уже при количестве впрыскиваемого топлива, равном 507 от количества при полной нагрузке. Кривая 35 показывает возможр ную нелинейную характеристику между предельными линиями 31 и 35.

1111691

1111691

1111691

3111091

1111691

Редактор О.Колесникова

Тираж 523 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 6339/45

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг. f0

ЗЗ

Составитель П. Покровский

Техред Т. Дубинчак Корректор E,Сирохман