PL199840B1 - Silnik spalinowy z bezpośrednim wtryskiem - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest silnik spalinowy z bezpo srednim wtryskiem, zawieraj acy wa l roz- rz adu i co najmniej dwa cylindry (1), przy czym w ka zdym cylindrze (1) porusza si e t lok (2), który jest zwi azany co najmniej z dwoma zaworami ss acymi (4, 5), z których ka zdy znajduje si e w przewodzie wpustowym (8, 9) i co najmniej z jednym zaworem wydechowym (6, 7). Prze- mieszczanie si e wymienionych zaworów jest niezale zne od obracania si e wa lu rozrz adu i jest sterowane przez komputer (15). Przewody wpustowe (8, 9) s a przystosowane do stwarza- nia obszaru pr edko sci powietrza we wn etrzu cylindra (1), równoleg lego do osi (X-X) cylindra. Komputer (15) steruje cylinder za cylindrem, momentami otwarcia i zamkni ecia wymienionych co najmniej dwóch zaworów ss acych (4, 5) w celu przystosowania kszta ltu obszaru pr ed- ko sci powietrza wewn atrz cylindra (1) do stanu pracy silnika. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest silnik spalinowy z bezpośrednim wtryskiem, zwłaszcza silnik zawierający wał korbowy i co najmniej dwa cylindry, przy czym w każdym cylindrze porusza się tłok, który jest związany co najmniej z dwoma zaworami ssącymi, z których każdy znajduje się w przewodzie wpustowym, i co najmniej z jednym zaworem wydechowym.

W napotykanych zwykle silnikach z wtryskiem bezpoś rednim mieszankę paliwowo-powietrzną przygotowuje się w taki sposób, aby sprzyjać zmniejszeniu zużycia paliwa i emisji gazów CO2. Stąd znane jest wykonywanie profilowanych głowic tłoka. Tym niemniej może to okazać się niewystarczające w przypadku silników z małymi cylindrami w takim stopniu, w jakim średnia droga paliwa wtryskiwanego do cylindrów jest bardzo mała, co może powodować strzelanie na skutek braku odparowania. Wtedy konieczne jest stabilizowanie spalania drogą mieszania mieszanki paliwowo-powietrznej.

W zwią zku z tym jest znane stwarzanie obszarów szybkoś ci gazów we wnę trzu komory spalania stosując połączenia odpowiednio profilowanych tłoków i urządzeń mechanicznych umieszczonych przed zaworami ssącymi. W ten sposób stwarza się dwa rodzaje obszarów burzliwych szybkości powietrza. Jeden z obszarów jest nazywany obszarem „wirowym” („SWIRL”), w którym gazy płyną prostopadle do osi cylindra, natomiast drugi z obszarów szybkości jest nazywany obszarem „osiowym” (TUMBLE) w takim stopniu, w jakim gazy przemieszczają się równolegle do osi wymienionego cylindra.

Tym niemniej te urządzenia mechaniczne połączone w postać głowicy tłoka są kosztowne i nie pozwalają na uzyskanie przy wszystkich stanach pracy silnika odpowiednio przystosowanych obszarów prędkości osiowych i wirowych. Poza tym martwe przestrzenie wytworzone w przewodach ssących, w których znajdują się urządzenia mechaniczne, mogą mieć niepożądane efekty w postaci cofania się gazu albo mieszanki paliwowo-powietrznej.

Aby zaradzić tym niedogodnościom zaproponowano już, zwłaszcza w niemieckim opisie patentowym nr DE 198 10 466, aby przemieszczanie wymienionych zaworów było niezależne od obracania się wału korbowego i sterowane komputerem, który steruje, cylinder za cylindrem, momentami otwierania i zamykania wymienionych co najmniej dwóch zaworów ssących, uwzględniając zwłaszcza stan pracy silnika. Konieczne środki sterujące według DE 198 10 466 są jednak złożone i kosztowne.

Celem niniejszego wynalazku jest zaradzenie tym niedogodnościom za pomocą środków jednocześnie prostszych i dokładniejszych oraz wyższej wydajności techniki strumieniowej.

Silnik spalinowy z bezpośrednim wtryskiem, zawierający wał korbowy i co najmniej dwa cylindry, przy czym w każdym cylindrze porusza się tłok, który jest związany co najmniej z dwoma zaworami ssącymi, z których każdy znajduje się w przewodzie wpustowym, i co najmniej z jednym zaworem wydechowym, przy czym przemieszczanie się zaworów jest niezależne od obracania się wału korbowego i jest sterowane przez komputer, który steruje, cylinder za cylindrem, momenty otwarcia i zamknięcia co najmniej dwóch zaworów ssących uwzględniając stan pracy silnika, według wynalazku charakteryzuje się tym, że przewody wpustowe są przystosowane do stwarzania obszaru prędkości powietrza we wnętrzu cylindra, równoległego do osi cylindra, przy czym komputer steruje ruchem wymienionych co najmniej dwóch zaworów ssących w celu przystosowania kształtu obszaru prędkości powietrza wewnątrz cylindra do stanu pracy silnika i wytwarzania obszaru prędkości wybranego spośród obszarów prędkości równoległych do osi cylindra i wirujących dookoła osi cylindra.

Korzystnie silnik jest silnikiem z zapłonem wymuszonym.

Korzystnie, kształt głowicy tłoka jest wyprofilowany w celu wytworzenia, w czasie ruchu tłoka, osiowego albo wirowego ruchu obszaru prędkości powietrza.

Korzystnie, komputer steruje prędkością przemieszczania się każdego zaworu ssącego.

Korzystnie, komputer kontroluje wymienione zawory ssące w celu stworzenia wirowego obszaru prędkości w czasie działania przy mniejszym obciążeniu silnika.

Korzystnie, komputer kontroluje wymienione zawory ssące w celu uzyskania ciągłego przejścia od osiowego albo wirowego obszaru prędkości do drugiego osiowego albo wirowego obszaru prędkości.

Korzystnie, komputer kontroluje momenty otwarcia i zamknięcia wymienionego co najmniej jednego zaworu wydechowego.

W ten sposób, dzięki takim układom, jest moż liwe regulowanie w każdej chwili obszaru prędkości we wnętrzu cylindra dzięki elektronicznemu sterowaniu zaworów.

W korzystnych rozwiązaniach wynalazku moż na ewentualnie odwołać się poza tym do jednego i ewentualnie do drugiego z następujących układów, gdy silnik jest silnikiem z wymuszonym zapłonem, gdy kształt głowicy tłoka jest profilowany w celu spowodowania w czasie ruchu tłoka osiowego

PL 199 840 B1 albo wirowego ruchu obszaru prędkości powietrza, kiedy komputer steruje prędkością przemieszczania się każdego zaworu ssącego, albo kiedy komputer kontroluje zawory ssące w celu stworzenia wirowego obszaru prędkości w czasie pracy przy mniejszym obciążeniu silnika i osiowego pola prędkości w czasie pracy przy większym obciążeniu silnika, a także w przypadku gdy komputer kontroluje zawory ssące w celu uzyskania ciągłego przejścia od jednego osiowego albo wirowego obszaru prędkości do drugiego osiowego albo wirowego obszaru prędkości i komputer kontroluje momenty otwierania i zamykania wymienionego co najmniej jednego zaworu wydechowego.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie cylinder silnika spalinowego z bezpośrednim wtryskiem, wyposażony w dwa zawory ssą ce i dwa zawory wydechowe, które są sterowane komputerem, fig. 2a i 2b - wykresy pokazujące odpowiednio synchroniczne ruchy zaworów ssących według dotychczasowego stanu techniki, fig. 3a i 3b - odpowiednio ruch zaworów ssących według niniejszego wynalazku w celu stworzenia obszaru typu TUMBLE, z przewodami ssącymi pomyślanymi początkowo w celu zapewnienia tego rodzaju przepływu, fig. 4a i 4b - odpowiednio ruch zaworów ssących według wynalazku w celu uzyskania obszaru typu obszaru SWIRL, a fig. 5a i 5b - ruch zaworów ssących według niniejszego wynalazku w celu przejścia w sposób ciągły od obszaru typu SWIRL do obszaru typu TUMBLE.

Na fig. 1 przedstawiono schematycznie jeden z cylindrów 1 silnika spalinowego z bezpośrednim wtryskiem. Ten silnik jest korzystnie silnikiem z wymuszonym zapłonem.

W cylindrze 1 porusza się tłok 2, który ma głowicę 3, naprzeciw której są usytuowane dwa zawory ssące 4 i 5 oraz dwa zawory wydechowe 6 i 7. Każdy z zaworów ssących 4 i 5 znajduje się w jednym z odpowiednich przewodów wpustowych 8 i 9, a zawory wydechowe 6, 7 znajdują się odpowiednio w przewodach odlotowych 10, 11.

W celu wtryskiwania paliwa do wnę trza cylindra 1 wtryskiwacz (nie pokazany) jest umieszczony w znany sposób nad głowicą 3 tł oka 2. To paliwo miesza się z powietrzem wpuszczonym przez zawory ssące 4 i 5.

Zawory ssące 4 i 5 są na przykład zaworami elektromagnetycznymi, których otwieranie i zamykanie jest sterowane zgodnie z niniejszym wynalazkiem za pomocą komputera 15 do kontroli silnika. Ten komputer steruje z drugiej strony wtryskiwaczem i zapłonem.

Tłok 2 porusza się alternatywnie pionowo wzdłuż osi X-X cylindra 1. Jego głowica 3 ma kształt profilowany do stwarzania we wnętrzu cylindra 1 między innymi w miarę możliwości według ich cech charakterystycznych obszary prędkości o różnych kształtach według stanu pracy silnika i obciążenia silnika. Głowica 3 tłoka 2, jest na przykład głowicą znaną z francuskiego opisu patentowego nr FR 98 10293.

Do wymieszania mieszanki paliwowo-powietrznej stwarza się typowo dwa obszary prędkości. Pierwszy obszar jest nazywany „osiowym” obszarem prędkości albo obszarem „TUMBLE”, w którym gazy przemieszczają równolegle do osi X-X cylindra 1, a drugi obszar prędkości jest nazywany „obszarem wirowym” albo obszarem „SWIRL”, w którym gazy przemieszczają się prostopadle do osi X-X cylindra 1.

Obszar prędkości SWIRL stwarza się zwłaszcza wtedy, gdy obciążenie silnika jest małe, natomiast obszar prędkości TUMBLE stwarza się wtedy, gdy obciążenie silnika jest wysokie.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem kształty części składowych silnika, a zwłaszcza kształty przewodów wpustowych 8, 9, są przystosowane do uzyskiwania drogą konstrukcji obszaru prędkości TUMBLE.

Przejście od obszaru prędkości TUMBLE do obszaru prędkości SWIRL i odwrotnie uzyskuje się według niniejszego wynalazku drogą elektronicznego sterowania zaworami ssącymi 4 i 5. Te zawory nie są związane z wałem korbowym silnika, tak że mogą one być sterowane niezależnie od siebie i niezależ nie od cyklu silnika.

Figury 2a i 2b pokazują odpowiednio, że ruch zaworów ssących 4, 5 według dotychczasowego stanu techniki jest związany z kątem obrotu wału korbowego silnika. Zawory mają zatem ruch, którym nie można sterować niezależnie od cyklu silnika, tak że ruch zaworów nie pozwala na zmianę obszaru prędkości i mianowicie czas trwania pełnego otwarcia At1 jest bardzo krótki i niezmienny.

W przeciwieństwie do tego, zgodnie z wynalazkiem, Fig. 3a i 5b pokazują, że elektroniczne sterowanie zaworami ssącymi 4, 5 powoduje ruch tych zaworów niezależnie od ruchu wału korbowego i umożliwia w sposób dowolny modyfikację albo brak modyfikacji obszaru prędkości w zależności od stanu pracy i obciążenia silnika.

PL 199 840 B1

W ten sposób, powodując otwieranie i zamykanie zaworów ssących 4, 5 prawie jednocześnie względem momentów t1 i t2, jak jest to przedstawione na Fig. 3a i 3b, komputer 15 umożliwia brak modyfikacji obszaru typu TUMBLE stworzonego przez kształt składowych części silnika.

Komputer umożliwia poza tym kontrolę czasu trwania otwarcia Δt3 zaworów ssących 4, 5 w celu uzyskania maksymalnego efektu TUMBLE.

Sterowanie elektroniczne umożliwia ponadto sterowanie szybkością otwierania i szybkością zamykania zaworów ssących 4, 5 w celu uzyskania mniej lub bardziej szybkiej zmiany obszaru prędkości. Szybkość otwierania może zwłaszcza różnić się od szybkości zamykania.

Gdy zmniejsza się obciążenie silnika, to konieczne jest ustabilizowanie spalania wytwarzając wirowy obszar większej prędkości (SWIRL).

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem ten obszar SWIRL uzyskuje się drogą elektronicznego sterowania tymi zaworami ssącymi 4, 5. W celu uzyskania maksymalnego efektu SWIRL komputer steruje otwieraniem w momencie t4 jednego 4 z dwóch zaworów ssących 4, 5 i utrzymuje w stanie zamknięcia drugi zawór ssący 5, jak jest to przedstawione schematycznie na Fig. 4a i 4b. Czas trwania otwarcia Δt4 jest także kontrolowany.

Sterowanie elektroniczne momentami otwierania i zamykania każdego z tych zaworów ssących 4, 5 umożliwia ponadto przechodzenie w sposób ciągły od jednego z tych obszarów do drugiego z tych obszarów.

Na fig. 5a i 5b jest przedstawione na przykład sterowanie zaworami 4, 5 w celu przejścia od obszaru SWIRL do obszaru TUMBLE. Otwieranie drugiego zaworu ssącego 5 w momencie t8 jest późniejsze niż otwieranie pierwszego zaworu ssącego 4 w momencie t6, natomiast te dwa zawory zamykają się kwazi-jednocześnie w momentach sąsiadujących t7 i t9. Odpowiednie czasy trwania otwarcia Δt5 i Δt6 nie są zatem takie same.

Dzięki elektronicznemu sterowaniu zaworami 4, 5 jest w ten sposób możliwe stabilizowanie silnie burzliwego obszaru prędkości (SWIRL albo TUMBLE) w taki sposób, aby umożliwić spalanie nadzwyczaj ubogiej mieszanki benzynowo-powietrznej i w ten sposób zmniejszać zużycie paliwa bez konieczności obecności mało dokładnych urządzeń mechanicznych w przewodach wpustowych przed zaworami ssącymi. Przewody wpustowe mają mianowicie prosty rysunek sprzyjający efektowi TUMBLE (przewody wpustowe proste) i powodują minimalną utratę ładunku poprzecznego strumienia.

Z drugiej strony zawory wydechowe 6 i 7 są również pilotowane elektronicznie. W ten sposób poza znanymi sposobami działania, to jest przepłukiwaniem (usuwaniem gazów z cylindra) i wewnętrznym EGR (recyrkulacja gazów odlotowych), możliwe jest także stabilizowanie temperatury komory spalania w celu sprzyjania odparowaniu strumienia paliwa. W związku z tym moduluje się reguły przepłukiwania i wewnętrznego EGR drogą sterowania momentami otwarcia i zamknięcia zaworów wydechowych 6 i 7 w celu spowodowania recyrkulacji pewnej ilości gazów odlotowych, dodatkowej i koniecznej do stabilizacji średniej temperatury w komorze spalania przy odpowiedniej wartości. Jest to szczególnie interesujące wtedy, gdy obciążenie zmniejsza się, ponieważ temperatura jest wtedy oczywiście niska.

Rozumie się, że elektroniczne sterowanie zaworami ssącymi 4, 5 i wydechowymi 6, 7 można prowadzić poza tym w sposób niezależny od każdego cylindra 1 silnika w celu najlepszego stabilizowania spalania. W czasie regulowania silnika parametry kontrolne zaworów, które są opracowane dla każdego cylindra w zależności od punktu działania silnika f(n,g), gdzie n jest stanem pracy silnika, a q jest obciążeniem, wprowadza się do pamięci kartograficznej komputera 15 do kontroli silnika.

Claims (7)

1. Silnik spalinowy z bezpośrednim wtryskiem, zawierający wał korbowy i co najmniej dwa cylindry, przy czym w każdym cylindrze porusza się tłok, który jest związany co najmniej z dwoma zaworami ssącymi, z których każdy znajduje się w przewodzie wpustowym, i co najmniej z jednym zaworem wydechowym, przy czym przemieszczanie się zaworów jest niezależne od obracania się wału korbowego i jest sterowane przez komputer, który steruje, cylinder za cylindrem, momenty otwarcia i zamknięcia co najmniej dwóch zaworów ssących uwzględniając stan pracy silnika, znamienny tym, że przewody wpustowe (8, 9) są przystosowane do stwarzania obszaru prędkości powietrza we wnętrzu cylindra, równoległego do osi (X-X) cylindra, przy czym komputer (15) steruje ruchem wymienionych co najmniej dwóch zaworów ssących (4, 5) w celu przystosowania kształtu obszaru prędkości

PL 199 840 B1 powietrza wewnątrz cylindra (1) do stanu pracy silnika i wytwarzania obszaru prędkości wybranego spośród obszarów prędkości równoległych do osi (X-X) cylindra (1) i wirujących dookoła osi (X-X) cylindra (1).

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że silnik jest silnikiem z zapłonem wymuszonym.

3. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że kształt głowicy (3) tłoka (2) jest wyprofilowany w celu wytworzenia, w czasie ruchu tł oka (2), osiowego albo wirowego ruchu obszaru prę dkoś ci powietrza.

4. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że komputer (15) steruje prędkością przemieszczania się każdego zaworu ssącego (4, 5).

5. Silnik według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że komputer (15) kontroluje wymienione zawory ssące (4, 5) w celu stworzenia wirowego obszaru prędkości w czasie działania przy mniejszym obciążeniu silnika.

6. Silnik według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że komputer (15) kontroluje wymienione zawory ssące (4, 5) w celu uzyskania ciągłego przejścia od osiowego albo wirowego obszaru prędkości do drugiego osiowego albo wirowego obszaru prędkości.

7. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że komputer (15) kontroluje momenty otwarcia i zamkni ę cia wymienionego co najmniej jednego zaworu wydechowego (6, 7).