RU2296877C2 - Internal combustion engine with injection of fuel into cylinder - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines.

SUBSTANCE: invention relates to gasoline supply systems. Proposed internal combustion engine with injection of fuel into cylinder has cylinder block with cylinder liners, pistons, cylinder head with intake and exhaust channels and valves, combustion chambers, spark plugs, fuel feed nozzle and controller with sensors. Fuel feed nozzles are installed in walls of cylinder lines in space limited by lower compression ring of pistons in TDC and crown of pistons in BDC.

EFFECT: reduced stay of fuel-air mixture in engine cylinder and heat load of fuel nozzle.

5 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к системам подачи топлива бензиновых двигателей. Известно, что эффективность бензиновых двигателей пропорциональна их степени сжатия. Главной причиной, ограничивающей степень сжатия бензиновых двигателей, является детонационная стойкость применяемых бензинов, в значительной степени определяющаяся скоростью образования и накопления в рабочей смеси активных перекисей (кислородсодержащих веществ), которые разлагаются в последней фазе горения, выделяют избыточную энергию и вызывают взрывное сгорание топлива. Скорость образования гидроперекисей находится в прямой зависимости от времени пребывания топливовоздушной смеси в цилиндре и ее нагрева в процессах впуска, сжатия и сгорания. Таким образом, для обеспечения высокой эффективности бензиновых двигателей необходимо снижать время пребывания топлива в цилиндре.The invention relates to engine building, and in particular to fuel supply systems for gasoline engines. It is known that the efficiency of gasoline engines is proportional to their compression ratio. The main reason limiting the compression ratio of gasoline engines is the detonation resistance of gasolines used, which is largely determined by the rate of formation and accumulation in the working mixture of active peroxides (oxygen-containing substances), which decompose in the last phase of combustion, generate excess energy and cause explosive combustion of fuel. The rate of formation of hydroperoxides is directly dependent on the residence time of the air-fuel mixture in the cylinder and its heating in the processes of intake, compression and combustion. Thus, to ensure high efficiency of gasoline engines, it is necessary to reduce the residence time of the fuel in the cylinder.

Высокий КПД двигателей внутреннего сгорания определяется также, помимо детонационной стойкости применяемых бензинов, качеством процесса образования топливовоздушной смеси. Определяющую роль в процессе смесеобразования играет топливоподающая форсунка, стабильность ее эксплуатационных характеристик. При расположении топливоподающей форсунки в камере сгорания двигателя под действием высоких термических нагрузок и в сочетании с физико-химическими свойствами топлива происходит значительное нагаро-смолообразование в сопловых отверстиях, топливных каналах и на поверхности форсунки. Эти процессы приводят к ухудшению распыливания топлива и, соответственно, процесса смесеобразования. Для осуществления качественного процесса смесеобразования необходимо минимизировать нагаро-смолообразование топливоподающих форсунок.The high efficiency of internal combustion engines is also determined, in addition to the detonation resistance of gasolines used, by the quality of the formation of the air-fuel mixture. The decisive role in the process of mixture formation is played by the fuel-injecting nozzle, the stability of its operational characteristics. When the fuel-supply nozzle is located in the combustion chamber of the engine under the influence of high thermal loads and in combination with the physicochemical properties of the fuel, significant carbon-tar formation occurs in nozzle openings, fuel channels, and on the surface of the nozzle. These processes lead to a deterioration in fuel atomization and, accordingly, the process of mixture formation. To implement a high-quality process of mixing, it is necessary to minimize the soot-gum formation of fuel-supplying nozzles.

Известно техническое решение фирмы "Mitsubishi Heavy Industries Ltd" ("Авторевю", №6 (239), 2001), в котором топливоподающая форсунка установлена непосредственно в камере сгорания (двигатель типа GDI). При работе двигателя на бедных смесях и малых нагрузках топливо подается в цилиндр в конце такта сжатия. Стехиометрический состав смеси у свечи зажигания обеспечивается специально спрофилированным поршнем. При работе двигателя на смеси стехиометрического состава впрыск топлива осуществляется при движении поршня вниз - на такте впуска. Топливо впрыскивается коническим факелом, распыляясь по всему цилиндру. Работа двигателя на обогащенных смесях обеспечивается двухстадийным впрыском топлива: первая часть топлива впрыскивается на такте впуска, а вторая часть - на такте сжатия. Недостатком указанной конструкции является расположение топливоподающей форсунки в объеме камеры сгорания, а также продолжительное время пребывания топлива при его впрыскивании в цилиндр двигателя на такте впуска.Known technical solution of the company "Mitsubishi Heavy Industries Ltd" ("Auto Review", No. 6 (239), 2001), in which the fuel supply nozzle is installed directly in the combustion chamber (engine type GDI). When the engine is running on lean mixtures and light loads, fuel is fed into the cylinder at the end of the compression stroke. The stoichiometric composition of the mixture at the spark plug is provided by a specially profiled piston. When the engine is running on a mixture of stoichiometric composition, fuel is injected when the piston moves down - at the intake stroke. Fuel is injected with a conical torch, spraying throughout the cylinder. The engine operation on enriched mixtures is ensured by a two-stage fuel injection: the first part of the fuel is injected at the intake stroke, and the second part is injected at the compression stroke. The disadvantage of this design is the location of the fuel supply nozzle in the volume of the combustion chamber, as well as the long residence time of the fuel when it is injected into the engine cylinder at the intake stroke.

Известно техническое решение расположения топливоподающей форсунки в двигателе внутреннего сгорания (патент US 6,386,175 В2; МПК 7 F 02 B 3/00, опубл. 14.05.2002). В двигателе внутреннего сгорания имеется блок цилиндров с гильзами цилиндров и поршни, плотно установленные в гильзы цилиндров. Головка цилиндра с впускными и выпускными каналами и клапанами прикреплена к блоку и образует камеру сгорания. Двигатель содержит свечу зажигания и топливные форсунки, расположенные непосредственно в камере сгорания или во впускных каналах головки блока цилиндров. Топливо подается в цилиндры двигателя на такте сжатия. Недостатком данного технического решения является расположение топливной форсунки непосредственно в камере сгорания двигателя, что приводит к ее интенсивному осмолению.A technical solution is known for the location of the fuel supply nozzle in an internal combustion engine (patent US 6,386,175 B2; IPC 7 F 02 B 3/00, publ. 14.05.2002). The internal combustion engine has a cylinder block with cylinder liners and pistons tightly mounted in the cylinder liners. A cylinder head with inlet and outlet channels and valves is attached to the block and forms a combustion chamber. The engine contains a spark plug and fuel injectors located directly in the combustion chamber or in the inlet channels of the cylinder head. Fuel is supplied to the engine cylinders at a compression stroke. The disadvantage of this technical solution is the location of the fuel nozzle directly in the combustion chamber of the engine, which leads to its intense resinification.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение времени пребывания топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя, а также снижение тепловой нагруженности топливоподающей форсунки.The objective of the invention is to reduce the residence time of the air-fuel mixture in the cylinder of the engine, as well as reducing the thermal load of the fuel-injecting nozzle.

Поставленная задача решается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с впрыскиванием топлива в цилиндр, содержащем блок цилиндров с гильзами цилиндров, поршнями, головкой цилиндров с впускными и выпускными каналами и клапанами, топливоподающие форсунки согласно изобретению установлены в стенках гильз цилиндров в пространстве, ограниченном нижними компрессионными кольцами поршней при их положении в верхней мертвой точке и днищами поршней при их положении в нижней мертвой точке.The problem is solved in that in an internal combustion engine with fuel injection into a cylinder containing a cylinder block with cylinder liners, pistons, a cylinder head with inlet and outlet channels and valves, fuel-injecting nozzles according to the invention are installed in the walls of the cylinder liners in a space bounded by lower compression the piston rings at their position at top dead center and the piston bottoms at their position at bottom dead center.

Установка топливоподающей форсунки в стенке гильзы цилиндра позволяет осуществлять впрыскивание топлива в цилиндр при закрытых впускных и выпускных клапанах - на такте сжатия и, таким образом, сокращать время пребывания топливовоздушной смеси. Топливоподающая форсунка установлена ниже компрессионных колец поршня при его положении в верхней мертвой точке, т.е. вне объема камеры сгорания, таким образом, чтобы воспламенение и сгорание топливовоздушной смеси происходило без прямого контакта с топливоподающей форсункой.The installation of a fuel-supply nozzle in the cylinder liner wall allows fuel injection into the cylinder with the intake and exhaust valves closed - at the compression stroke and, thus, reduce the residence time of the air-fuel mixture. The fuel supply nozzle is installed below the piston compression rings at its position at top dead center, i.e. outside the volume of the combustion chamber, so that the ignition and combustion of the air-fuel mixture occurs without direct contact with the fuel supply nozzle.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1-5 показана схема двигателя внутреннего сгорания при осуществлении им рабочего цикла.The essence of the claimed invention is illustrated by drawings, where Figs. 1-5 show a diagram of an internal combustion engine when it implements a duty cycle.

Двигатель внутреннего сгорания содержит блок цилиндров 1 с гильзами цилиндров 2 и поршнями 3 с поршневыми кольцами 4. Сверху, над блоком цилиндров 1, закреплена головка блока цилиндров 5 с впускными 6 и выпускными 7 каналами, снабженная впускными 8 и выпускными 9 клапанами. Головка блока цилиндров 5, блок цилиндров 1, впускные 6 и выпускные 7 клапаны образуют камеру сгорания цилиндра 10. Двигатель внутреннего сгорания содержит свечу зажигания 11, сообщающуюся с камерой сгорания 10 для зажигания топливовоздушной смеси. Двигатель также содержит топливоподающую форсунку 12 для подачи топлива в цилиндр 2, установленную в стенках гильз цилиндров. Требуемый момент и продолжительность впрыскивания топлива форсункой 12 определяет контроллер 13 на основании показаний датчиков 14.The internal combustion engine contains a cylinder block 1 with cylinder liners 2 and pistons 3 with piston rings 4. Above, above the cylinder block 1, a cylinder head 5 is fixed with inlet 6 and outlet 7 channels, equipped with inlet 8 and outlet 9 valves. The cylinder head 5, cylinder block 1, inlet 6 and exhaust 7 valves form the combustion chamber of cylinder 10. The internal combustion engine contains an spark plug 11 in communication with the combustion chamber 10 for igniting the air-fuel mixture. The engine also comprises a fuel supply nozzle 12 for supplying fuel to a cylinder 2 mounted in the walls of the cylinder liners. The required moment and duration of fuel injection by the nozzle 12 is determined by the controller 13 based on the readings of the sensors 14.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Воздух по впускному каналу 6 при открытом впускном клапане 8, благодаря разрежению от движения поршня 3 вниз, попадает в надпоршневое пространство цилиндра 2 (фиг.1). В конце такта впуска, при начале движения поршня 3 вверх, происходит прекращение подачи воздуха в цилиндр, вследствие его наполнения, и впускной клапан 8 закрывается. На такте сжатия, при движении поршня 3 вверх и закрытых впускном 8 и выпускном 9 клапанах (фиг.2), происходит впрыскивание топлива топливоподающей форсункой 12 в цилиндр 2 в виде туманообразного конического факела. Момент и продолжительность впрыскивания топлива определяются контроллером 13 на основании сигналов датчиков 14. При дальнейшем движении поршня 3 вверх на такте сжатия происходят процессы смесеобразования - приготовления топливовоздушной смеси. До достижения верхней мертвой точки поршень 3 в своем движении вверх перекрывает канал топливоподающей форсунки 12, отделяя ее от камеры сгорания 10 (фиг.3). Процессы воспламенения топливовоздушной смеси и ее сгорания происходят без прямого контакта горящей топливовоздушной смеси с топливоподающей форсункой 12. В дальнейшем при движении поршня 3 вниз в конце такта расширения (фиг.4) рабочие газы соприкасаются с поверхностью топливоподающей форсунки 12, однако их температура уже значительно ниже максимальной, и поэтому термическая нагруженность топливоподающей форсунки 12 будет минимальной. По окончании процесса расширения начинается процесс выпуска отработавших газов (фиг.5), а затем процесс впуска новой порции воздуха, и рабочий цикл повторяется.The internal combustion engine operates as follows. Air through the inlet channel 6 with the inlet valve 8 open, due to rarefaction from the movement of the piston 3 downward, enters the piston space of the cylinder 2 (Fig. 1). At the end of the intake stroke, at the beginning of the upward movement of the piston 3, the air supply to the cylinder stops, due to its filling, and the intake valve 8 closes. On the compression stroke, when the piston 3 moves upward and is closed by the inlet 8 and outlet 9 valves (FIG. 2), fuel is injected with the fuel-injecting nozzle 12 into the cylinder 2 in the form of a fog-shaped conical torch. The moment and duration of fuel injection is determined by the controller 13 based on the signals of the sensors 14. With the further movement of the piston 3 upward on the compression stroke, processes of mixture formation - preparation of the air-fuel mixture occur. Before reaching the top dead center, the piston 3 in its upward movement overlaps the channel of the fuel supply nozzle 12, separating it from the combustion chamber 10 (Fig. 3). The processes of ignition of the air-fuel mixture and its combustion occur without direct contact of the burning air-fuel mixture with the fuel nozzle 12. Later, when the piston 3 moves downward at the end of the expansion stroke (Fig. 4), the working gases come into contact with the surface of the fuel nozzle 12, but their temperature is already much lower maximum, and therefore thermal loading of the fuel nozzle 12 will be minimal. At the end of the expansion process, the exhaust process begins (Fig. 5), and then the process of intake of a new portion of air, and the work cycle is repeated.

Таким образом, благодаря впрыскиванию топлива топливоподающей форсункой 12 значительно сокращено время пребывания топлива в цилиндре двигателя, а значит, и вероятность детонации. Установка топливоподающей форсунки 12 в стенке цилиндра 2, вне камеры сгорания 10 позволила снизить термическую нагруженность топливоподающей форсунки и повысить ее надежность и стабильность показателей.Thus, due to the injection of fuel by the fuel supply nozzle 12, the residence time of the fuel in the engine cylinder is significantly reduced, and hence the probability of detonation. The installation of the fuel supply nozzle 12 in the wall of the cylinder 2, outside the combustion chamber 10, made it possible to reduce the thermal loading of the fuel supply nozzle and increase its reliability and stability.

На одноцилиндровой моторной установке с воспламенением от сжатия проведено экспериментальное исследование по оценке влияния времени пребывания топливовоздушной смеси на детонационную стойкость применяемого топлива (бензин А-76). Исследование показало, что при переходе с обычного впрыскивания топлива в конце такта сжатия на ВИГОМ-процесс (впрыскивание части цикловой подачи топлива на такте впуска и основной части цикловой подачи в конце такта сжатия) происходило снижение периода задержки воспламенения топлива. Таким образом, бензин А-76 при ВИГОМ-процессе вел себя как топливо с большим цетановым числом. Поскольку существует обратная зависимость между цетановым и октановым числами топлив, то впрыскивание части топлива на такте впуска (повышение продолжительности пребывания топлива) приводит к снижению детонационной стойкости применяемого топлива.An experimental study was conducted on a single-cylinder compression-ignition engine installation to assess the effect of the residence time of the air-fuel mixture on the detonation resistance of the fuel used (A-76 gasoline). The study showed that when switching from conventional fuel injection at the end of the compression stroke to the TIG process (injecting part of the cyclic fuel supply at the intake stroke and the main part of the cyclic supply at the end of the compression cycle), the ignition delay period decreased. Thus, A-76 gasoline behaved like a fuel with a large cetane number during the TIG process. Since there is an inverse relationship between the cetane and octane numbers of fuels, the injection of part of the fuel at the intake stroke (increasing the duration of fuel residence) leads to a decrease in the detonation resistance of the fuel used.

Claims (1)

Двигатель внутреннего сгорания с впрыскиванием топлива в цилиндр, содержащий блок цилиндров с гильзами цилиндров, поршни, головку цилиндров с впускными и выпускными каналами и клапанами, камеры сгорания, свечи зажигания, топливоподающие форсунки и контроллер с датчиками, отличающийся тем, что топливоподающие форсунки установлены в стенках гильз цилиндров в пространстве, ограниченном нижними компрессионными кольцами поршней при их положении в верхней мертвой точке и днищами поршней при их положении в нижней мертвой точке.An internal combustion engine with fuel injection into a cylinder, comprising a cylinder block with cylinder liners, pistons, a cylinder head with intake and exhaust channels and valves, combustion chambers, spark plugs, fuel nozzles and a controller with sensors, characterized in that the fuel nozzles are installed in the walls cylinder liners in the space bounded by the lower compression rings of the pistons at their position at top dead center and the piston bottoms at their position at bottom dead center.

Images