Двухтактный бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива и электронной системой управления

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двухтактным бензиновым двигателям с непосредственным впрыскиванием топлива в цилиндр. Техническим результатом является повышение топливной экономичности и экологических показателей двигателя, надежности и долговечности работы форсунки. Двигатель содержит цилиндр, в стенке которого выполнены впускное и выпускное окна, топливную форсунку, установленную наклонно в стенке цилиндра, поршень и головку цилиндра с камерой сгорания. Топливная форсунка установлена в зоне низких температур и давления в плоскости, наклоненной к плоскости днища поршня в сторону НМТ под углом 10-15°. Распылитель форсунки расположен выше верхней кромки выпускного окна на 7-10 мм, а для создания закрученного воздушного потока профилированные, впускные окна расположены тангенциально к стенке цилиндра и с наклоном в сторону камеры сгорания. В распылителе форсунки могут быть выполнены, по крайней мере, три сопловых отверстия диаметром 0,15-0,25 мм, расположенных под разными углами к оси форсунки, два из которых направлены в сторону цилиндрической выемки в днище поршня, а одно - в околосвечную зону. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двухтактным бензиновым двигателям с непосредственным впрыскиванием топлива в цилиндр.

Современные одно- или двухцилиндровые бензиновые двигатели с карбюраторной системой смесеобразования получили широкое применение в качестве силовых установок мотоциклов, моторных лодок, бытовой и другой техники. Существенным недостатком такого типа ДВС является низкая топливная экономичность и высокая токсичность продуктов сгорания. Это связано с тем, что продувка цилиндра в них осуществляется топливо-воздушной смесью. Из-за того, что конструктивно выпускное окно закрывается значительно позже впускных окон, часть смеси выбрасывается в атмосферу, загрязняя ее топливом, окислами углерода и азота. Постоянное ужесточение экологических норм по содержанию СО, СН, а в последнее время и NOx в отработавших газах привело к законодательному запрещению лодочных двухтактных двигателей этого типа в водах курортных зон.

Известен двухтактный двигатель с ЭСУД и установкой форсунки в камере сгорания и образованием выемки в днище поршня [патент США 6338327, МПК F02B 23/10, опубл. 15.01.2002], содержащий головку блока, корпус, форсунку, шатун, поршень, впускные и выпускные окна, свечу зажигания. В этом двигателе осуществляется раздельная подача воздуха и топлива, впрыск топлива после закрытия выпускного окна в сферическую выемку в днище поршня.

Этими конструктивными мероприятиями достигается повышение экономичности за счет ликвидации выброса топлива при продувке и делается попытка повышения экономичности и экологии за счет послойного смесеобразования. Основным недостатком установки форсунки в камере сгорания является то, что она расположена в зоне высоких температур (до 3000°С) и давлений (до 7 МПа). Это снижает ее надежность и долговечность, что подтверждается опытом эксплуатации инжекторных четырехтактных ДВС. Организация охлаждения форсунки, расположенной в головке блока, усложнят конструкцию головки блока ДВС с жидкостным и тем более двухтактных ДВС с воздушным охлаждением. Установка форсунки в зоне высоких давлений предопределяет необходимость повышения давления топлива перед сопловыми отверстиями форсунки на 0,3-0,5 МПа больше максимального давления рабочего тела в камере сгорания. Это требует создания новой аккумуляторной системы питания двигателя высокого давления (Р=8,3...8,5 МПа) и узлов, рассчитанных на это давление, например двухступенчатого электробензонасоса.

Другим недостатком известного двигателя является необоснованность организации послойного объемно-пленочного смесеобразования путем впрыска топлива в сферическую выемку в днище поршня. Накопление топлива в выемке днища поршня с последующим забрасыванием его в направлении свечи за счет силы инерции Pj массы топлива - m, определяемой по уравнениям Р_J=mrω², где r - радиус кривошипа, ω - угловая скорость коленчатого вала, равная , где n - частота вращения коленчатого вала, 1/мин. В широком диапазоне изменения частоты вращения (n²) это приведет к забрасыванию свечи (на n_MAX) или к "недолету" при n_MIN. Кроме это, при таком способе продувки цилиндра не организовано пленочное смесеобразование.

Известно техническое решение, направленное на замену карбюраторной системы питания двухтактного двигателя инжекторной системой с электронным управлением [Двухтактные карбюраторные двигатель внутреннего сгорания. /В.М.Кондратов, Ю.С.Григорьев, В.В.Тупов и др. - М.: Машиностроение, 1990, с.47-48]. Двигатель содержит цилиндр, установленный в нем поршень, головку цилиндра с камерой сгорания, топливную форсунку, установленную наклонно в стенке цилиндра, в которой выполнены впускное и выпускное продувочные окна. В этом двигателе вместо карбюратора во впускной тракт (окно) устанавливается форсунка, подача топлива через которую осуществляется электронным блоком управления ЭСУД перед перекрытием впускного окна золотником-поршнем. Такое решение снижает сопротивление впускного тракта (отсутствует диффузор, создающий сопротивление). Это ведет к повышению коэффициента наполнения, а значит и возможности повышения мощности, но не решает экономические и экологические проблемы, т.к. не исключает выброс топлива в выхлопное окно.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении топливной экономичности и экологических показателей двигателя, надежности и долговечности работы форсунки.

Указанная задача решается тем, что в двухтактном бензиновом двигателе с непосредственным впрыскиванием топлива в цилиндр и электронной системой управления, содержащем цилиндр, установленный в нем поршень, головку цилиндра с камерой сгорания, топливную форсунку, установленную наклонно в стенке цилиндра, в которой выполнены впускное и выпускное продувочные окна, согласно изобретению топливная форсунка установлена в зоне низких температур и давления в плоскости, наклоненной к плоскости днища поршня в сторону НМТ под углом 10-15°, при этом распылитель форсунки расположен выше верхней кромки выпускного окна на 7-10 мм, кроме того, профилированные, продувочные окна расположены тангенциально к стенке цилиндра с наклоном в сторону камеры сгорания.

В распылителе форсунки выполнены, по крайней мере, три сопловых отверстия диаметром 0,15-0,25 мм, расположенных под разными углами к оси форсунки, два из которых направлены в сторону цилиндрической выемки в днище поршня, а одно - в околосвечную зону.

Повышение топливной экономичности, надежности и долговечности форсунки обеспечивается: - раздельной подачей топлива и воздуха в цилиндр двигателя; - установкой форсунки в зоне низкой температуры и давления и впрыском топлива после закрытия выпускного окна; - профилированием впускных окон для организации завихрения воздушного потока при продувке; - организацией объемно-пленочного смесеобразования с α<0,9 в околосвечном объеме и α>>1 в зоне смешения паров топлива с воздухом.

В стенке гильзы, на 7-10 мм выше кромки выпускного окна и с наклоном под углом 10-15° в сторону НМТ, установлена форсунка, два сопловых отверстия которой направлены в цилиндрическую (высотой 1,5-2,5 мм) выемку в днище поршня, а одно сопловое отверстие - в околосвечный объем так, чтобы при впрыске топлива свеча зажигания оказалась в зоне топливного факела с коэффициентом избытка воздуха α, равной 0,9-0,95.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором дана общая схема двигателя с форсункой в гильзе цилиндра.

Двухтактный двигатель содержит корпус 1, расположенный в нем цилиндр 2, в котором выполнены профилированные тангенциальные наклонные впускные окна 3, создающие закрученный поток воздуха, выпускное окно 4 для очистки цилиндра от продуктов сгорания и форсунка 5, расположенная в стенке гильзы цилиндра 2, поршень 6, выполняющий функцию золотника с цилиндрической выемкой 7 в днище. Топливная форсунка 5 установлена в стенке цилиндра 2 в зоне низких температур и давления в плоскости, наклоненной к плоскости днища поршня под углом α=10-15°, таким образом, чтобы распылитель форсунки 5 был расположен выше верхней кромки выпускного окна 4 на величину h=7-10 мм.

Двигатель работает следующим образом.

При перемещении поршня 6 от ВМТ к НМТ на такте расширения (рабочего хода) открывается выпускное окно 4 и продукты сгорания под давлением начинают выбрасываться в атмосферу. При понижении давления в цилиндре 2 до величины, меньшей величины давления во впускных окнах 3, через них под давлением продувочного насоса (или из картера) поступает воздух, который закручивается профилированными впускными окнами 3 по поверхности зеркала цилиндра в сторону головки блока 8, вытесняя продукты сгорания. Процесс продувки цилиндра двигателя «чистым» воздухом продолжается при движении поршня 6 от НМТ к ВМТ до перекрытия им сначала впускных окон 3, а затем и выпускных окон 4. Начинается процесс сжатия. Максимальная температура выхлопных газов при продувке в начале выхлопа в месте расположения форсунки 5 по расчетам не превышает 1000°С, а давление не более 0,25...0,3 МПа, что ниже силы затяжки пружины форсунки. Это предотвращает заброс газов в форсунку.

После перекрытия выпускных окон 4 по сигналу датчика положения коленчатого вала (не указан), а значит, и поршня, электронный блок управления (ЭБУ) включает подачу топлива форсункой. Цикловая подача топлива, определяемая ЭБУ в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов, задается временем «открытия» форсунки при заданной постоянной скорости истечения топлива через сопловые отверстия, т.е. длина и форма факела топлива, подаваемого через каждое из сопловых отверстий, не зависит от скоростного режима двигателя, что обеспечивает возможность ориентации факела 9 относительно свечи 10 так, чтобы обеспечить в этой зоне коэффициент избытка воздуха 0,9-0,95 без забрызгивания ее во всем скоростном режиме двигателя.

Топливо, подаваемое двумя сопловыми отверстиями форсунки 5 в цилиндрическую выемку 7 днища поршня, равномерно распределяется по поверхности выемки, образуя тонкую пленку одинаковой толщины со значительной поверхностью, с которой начинается интенсивное испарение ее в закрученный воздушный поток, обеспечивая значение коэффициента избытка воздуха в нем α>>1.

В момент впрыска топлива в зоне установки форсунки 5 температура и давление не велики и практически не зависят от режима работы двигателя после начала повышения давления на такте сжатия, т.к. поршень 6 перекрывает сопловые отверстия форсунки, защищая ее компрессионными кольцами от высокого давления и температуры при сгорании.

Такое конструктивное решение и организация послойного объемно-пленочного смесеобразования обеспечивает выполнение поставленной цели - повышение экономичности, улучшение экологии, а также и повышение надежности и долговечности форсунки.

Повышение экономичности достигается как за счет ликвидации выброса топлива при продувке цилиндра воздухом и впрыском топлива после продувки, так и увеличением коэффициента избытка воздуха до α=1,5-1,6, что позволяет запрограммировать ЭБУ на получение характеристики α=f(Neun)=onm.

Улучшение экологических показателей достигается: - снижением выброса топлива при продувке; - за счет реакции окисления окисла углерода СО до CO₂ кислородом окислов азота NOx вида СО+NOx→СО₂+N₂ в зоне высоких температур около свечи при α<1; - за счет снижения температуры в закрученном топливно-воздушном потоке с α>>1, при которой инертный азот не окисляется.

Повышение надежности и долговечности форсунки, а также исключение необходимости создания аккумуляторной системы питания высокого давления достигается установкой форсунки в зоне низких температур и давления.

1. Двухтактный бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и электронной системой управления, содержащий цилиндр, в стенке которого выполнены впускное и выпускное окна, топливную форсунку, установленную наклонно в стенке цилиндра, поршень и головку цилиндра с камерой сгорания, отличающийся тем, что топливная форсунка установлена в зоне низких температур и давления в плоскости, наклоненной к плоскости днища поршня в сторону НМТ под углом 10-15°, при этом распылитель форсунки расположен выше верхней кромки выпускного окна на 7-10 мм, кроме того, для создания закрученного воздушного потока профилированные, впускные окна расположены тангенциально к стенке цилиндра и с наклоном в сторону камеры сгорания.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в распылителе форсунки выполнены, по крайней мере, три сопловых отверстия диаметром 0,15-0,25 мм, расположенных под разными углами к оси форсунки, два из которых направлены в сторону цилиндрической выемки в днище поршня, а одно - в околосвечную зону.