Способ и устройство управления двигателем внутреннего сгорания на газообразном топливе - RU2005109391A

Реферат

1. Способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, имеющего по меньшей мере один цилиндр с поршнем, включающий направление всасываемой смеси в камеру сгорания, частично ограниченную цилиндром, сжатие всасываемой смеси в камере сгорания, работа в первом рабочем режиме, когда нагрузка двигателя равна заданной пороговой нагрузке или превышает ее, причем первый рабочий режим предусматривает: впрыскивание предварительного количества газообразного топлива непосредственно в камеру сгорания при сжатии всасываемой смеси и сжигание предварительного количества газообразного топлива, для повышения температуры всасываемой смеси выше температуры самовоспламенения газообразного топлива, и впрыскивание второго количества газообразного топлива непосредственно в камеру сгорания, когда температура всасываемой смеси становится равной температуре самовоспламенения газообразного топлива или выше нее, причем второе количество впрыскивают для сгорания в камере, для запуска рабочего такта поршня, работа во втором рабочем режиме, когда нагрузка двигателя меньше заданной пороговой нагрузки, причем второй рабочий режим предусматривает: впрыскивание предварительного количества газообразного топлива непосредственно в камеру сгорания, когда поршень находится вблизи от верхней мертвой точки в цилиндре, и воспламенение предварительного количества газообразного топлива и запуск рабочего такта поршня.

2. Способ по п.1, который предусматривает определение нагрузки двигателя из многомерной характеристики двигателя.

3. Способ по п.1, который предусматривает воспламенение предварительного количества газообразного топлива при помощи запальной свечи.

4. Способ по п.3, который предусматривает впрыскивание предварительного количества газообразного топлива в направлении запальной свечи.

5. Способ по п.1, который предусматривает впрыскивание предварительного количества газообразного топлива, когда поршень находится в положении угла поворота коленчатого вала от 60 до 30° до верхней мертвой точки.

6. Способ по п.1, в котором температура всасываемой смеси равна температуре самовоспламенения газообразного топлива или превышает ее, когда поршень находится в верхней мертвой точке.

7. Способ по п.1, в котором второе количество газообразного топлива в первом рабочем режиме имеет массу топлива больше, чем первое количество газообразного топлива.

8. Способ по п.1, в котором впрыскивание второго количества газообразного топлива в первом рабочем режиме синхронизовано таким образом, что второе количество газообразного топлива сгорает во время рабочего такта поршня.

9. Способ по п.1, в котором второе количество газообразного топлива в первом рабочем режиме определяют из многомерной характеристики двигателя.

10. Способ по п.1, в котором первое количество газообразного топлива и второе количество газообразного топлива непосредственно впрыскивают в камеру сгорания из единого инжектора.

11. Способ по п.1, в котором камера сгорания ограничивает степень сжатия в диапазоне дизельного двигателя.

12. Способ по п.11, в котором камера сгорания задает степень сжатия выше чем 14:1.

13. Способ по п.1, в котором первое количество топлива во втором рабочем режиме впрыскивают между углом поворота коленчатого вала 20° до верхней мертвой точки и 20° после верхней мертвой точки.

14. Способ по п.1, в котором во втором рабочем режиме производят впрыскивание второго количества газообразного топлива, сгорающего во время рабочего такта поршня.

15. Способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания на газообразном топливе, который содержит по меньшей мере один цилиндр, частично ограничивающий камеру сгорания, причем способ предусматривает: определение того, что нагрузка двигателя лежит в диапазоне высоких нагрузок, выбор рабочего режима высокой нагрузки для двигателя, когда нагрузка лежит в диапазоне высоких нагрузок, причем рабочий режим высокой нагрузки предусматривает: направление всасываемой смеси в камеру сгорания, сжатие всасываемой смеси в камере сгорания во время такта сжатия поршня, непосредственное впрыскивание во время такта сжатия поршня предварительного количества газообразного топлива в сжатую всасываемую смесь в камере сгорания, воспламенение предварительного количества газообразного топлива, сжигание предварительного количества газообразного топлива, для содействия повышению температуры всасываемой смеси до температуры самовоспламенения газообразного топлива или выше нее, непосредственное впрыскивание газообразного топлива во всасываемую смесь, когда температура всасываемой смеси становится равной температуре самовоспламенения газообразного топлива или выше нее, причем сгорание второго количества газообразного топлива способствует запуску рабочего такта поршня.

16. Способ по п.15, который предусматривает определение того, что нагрузка двигателя лежит в диапазоне низких нагрузок для двигателя, и, выбор рабочего режима низкой нагрузки для двигателя, когда нагрузка лежит в диапазоне низких нагрузок, причем рабочий режим низкой нагрузки предусматривает: направление всасываемой смеси в камеру сгорания, сжатие всасываемой смеси в камере сгорания во время такта сжатия поршня, непосредственное впрыскивание предварительного количества газообразного топлива в сжатую всасываемую смесь в камере сгорания, когда поршень находится в верхней мертвой точке или в непосредственной близости от нее, воспламенение предварительного количества газообразного топлива, сжигание предварительного количества газообразного топлива, причем сгорание предварительного количества газообразного топлива способствует запуску рабочего такта поршня.

17. Способ создания условий самовоспламенения в камере сгорания работающего на газообразном топливе двигателя внутреннего сгорания, причем камера сгорания частично ограничена при помощи поршня и имеет степень сжатия в диапазоне дизельных двигателей, включающий направление всасываемой смеси в камеру сгорания, впрыскивание предварительного количества газообразного топлива через инжектор во время сжатия всасываемой смеси в камере сгорания непосредственно в камеру сгорания, воспламенение предварительного количества газообразного топлива, сжигание предварительного количества газообразного топлива и повышение температуры всасываемой смеси, впрыскивание второго количества газообразного топлива непосредственно в камеру сгорания через инжектор, когда температура всасываемой смеси становится равной температуре самовоспламенения газообразного топлива или превышает ее, причем сгорание второго количества газообразного топлива способствует запуску рабочего такта поршня.

18. Способ по п.17, в котором первое количество газообразного топлива направляют к запальной свече, расположенной в камере сгорания.

19. Способ по п.17, в котором второе количество газообразного топлива распределяют во всем объеме камеры сгорания.

20. Способ по п.17, в котором первое количество газообразного топлива направляют в камеру сгорания при первом угле поворота коленчатого вала, а второе количество газообразного топлива направляют в камеру сгорания при втором угле.

21. Способ по п.20, в котором первый угол меньше второго угла.

22. Способ по одному из пп.1-21, в котором газообразное топливо представляет собой природный газ.

23. Способ по одному из пп.1-21, в котором газообразное топливо представляет собой метан.

24. Способ по одному из пп.1-21, в котором газообразное топливо представляет собой водород.

25. Способ создания условий самовоспламенения в камере сгорания работающего на газообразном топливе двигателя внутреннего сгорания, причем камера сгорания частично ограничена поршнем, при этом способ включает в себя следующие операции: направление всасываемой смеси в камеру сгорания, впрыскивание предварительного количества газообразного топлива непосредственно в камеру сгорания, во время сжатия всасываемой смеси в камере сгорания, воспламенение предварительного количества газообразного топлива; сжигание предварительного количества газообразного топлива и повышение температуры всасываемой смеси, во время сжатия всасываемой смеси в камере сгорания, впрыскивание второго количества газообразного топлива непосредственно в камеру сгорания, когда температура всасываемой смеси становится равной температуре самовоспламенения топлива или выше нее.

26. Топливный инжекторный клапан для впрыскивания топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, содержащий полый корпус клапана, который содержит наконечник клапана, вводимый в камеру сгорания; отверстие предварительной топливной форсунки, предусмотренное в наконечнике клапана, для впрыскивания топлива в направлении устройства содействия воспламенению газообразного топлива; по меньшей мере одно отверстие основной топливной форсунки, для впрыскивания топлива в больший объем камеры сгорания по сравнению с отверстием предварительной топливной форсунки, иглу клапана, расположенную в полом корпус клапана, причем игла клапана выполнена с возможностью перемещения между закрытым положением, в котором сжатое количество топлива содержится в полом корпус клапана, первым открытым положением, в котором топливо впрыскивают только через отверстие предварительной топливной форсунки, а вторым открытым положением, в котором топливо впрыскивают через отверстие предварительной топливной форсунки и через отверстие основной топливной форсунки.

27. Инжекторный клапан по п.26, в котором топливо представляет собой газообразное топливо.

28. Инжекторный клапан по п.27, в котором топливо представляет собой природный газ.

29. Инжекторный клапан по п.26, в котором игла клапана имеет кончик, выходящий из участка стержня иглы клапана, имеющего большую площадь поперечного сечения, чем кончик иглы, и кольцевой заплечик, расположенный между кончиком иглы и участком стержня, причем кольцевой заплечик содержит уплотняющую поверхность, которая взаимодействует с седлом клапана для герметизации газообразного топлива в полом корпусе клапана, когда уплотняющая поверхность прижата к седлу клапана.

30. Инжекторный клапан по п.29, в котором кончик иглы взаимодействует с внутренней поверхностью полого корпуса клапана для предотвращения выхода газообразного топлива из полого корпуса клапана через отверстие основной топливной форсунки, когда игла клапана находится в первом открытом положении.

31. Инжекторный клапан по п.30, в котором радиальная поверхность кончика иглы плотно входит в углубление в наконечнике клапана, а зазор между кончиком иглы и боковыми стенками углубления образует сужение потока, которое предотвращает протекание газообразного топлива к отверстию основной топливной форсунки, когда игла клапана находится в первом открытом положении.

32. Инжекторный клапан по п. 29, в котором игла клапана выполнена с возможностью втягивания в полом корпусе клапана, так что кончик иглы поднимается из углубления, за счет чего газообразное топливо может протекать к отверстию основной топливной форсунки.

33. Инжекторный клапан по п.29, в котором кончик иглы выполнен с возможностью перемещения относительно стержня иглы клапана, причем торцевая поверхность кончика иглы прилегает ко второму седлу клапана, образованному на внутренней поверхности полого корпуса клапана, когда игла клапана находится в первом открытом положении, при этом кончик иглы поднят от второго седла клапана, когда игла клапана находится во втором открытом положении.

34. Инжекторный клапан по п.33, в котором кончик иглы прижат ко второму седлу клапана при помощи пружины, расположенной между кончиком иглы и стержнем, когда игла клапана находится в закрытом положении или в первом открытом положении.

35. Инжекторный клапан по п.33, в котором кончик иглы имеет фланец, который взаимодействует с выступом стержня, за счет чего втягивание стержня в полый корпус клапана свыше заданного расстояния приводит к подъему кончика иглы от второго седла.

36. Инжекторный клапан по одному из пп.26-35, в котором отверстие предварительной топливной форсунки представляет собой одно из множества отверстий предварительной топливной форсунки, с объединенной открытой площадью, которая меньше объединенной открытой площади отверстия основной топливной форсунки.

37. Инжекторный клапан по п.36, в котором множество отверстий предварительной топливной форсунки ориентированы таким образом, чтобы впрыскивать газообразное топливо в тот сектор камеры сгорания, который содержит устройство для содействия воспламенению.

38. Инжекторный клапан по п.37, в котором отверстие основной топливной форсунки не производит впрыскивание топлива в направлении устройства для содействия воспламенению.

39. Инжекторный клапан по п.26, который дополнительно содержит, для приведения в движение указанной иглы между указанным закрытым положением, указанным первым открытым положением и указанным вторым открытым положением, первое запирающее смещение, второе запирающее смещение, третье запирающее смещение, первое отпирающее смещение и второе отпирающее смещение.

40. Инжекторный клапан по п.39, в котором первое, второе и третье запирающее смещение представляют собой соответственно первую флюидальную силу, вторую флюидальную силу и третью флюидальную силу, воздействующие на указанную иглу против указанного первого отпирающего смещения и указанного второго отпирающего смещения, причем: первая флюидальная сила больше, чем первая открывающая сила, создаваемая за счет первого отпирающего смещения, и вторая открывающая сила, создаваемая за счет второго отпирающего смещения, в результате чего игла перемещается в указанное закрытое положение; вторая флюидальная сила больше, чем первая открывающая сила и меньше, чем вторая открывающая сила, в результате чего игла перемещается в первое открытое положение, и третья флюидальная сила меньше, чем первая открывающая сила и вторая открывающая сила, в результате чего игла перемещается во второе открытое положение.

41. Инжекторный клапан по п.40, в котором первое отпирающее смещение создано при помощи тугой пружины, а второе отпирающее смещение создано при помощи слабой пружины, причем тугая пружина и слабая пружина действуют между иглой и наконечником клапана.

42. Двигатель внутреннего сгорания, который содержит камеру сгорания ограниченную цилиндром, поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение в цилиндре, и панелью зажигания головки цилиндра; устройство для содействия воспламенению газообразного топлива, расположенное в камере сгорания; топливный инжекторный клапан для впрыскивания газообразного топлива непосредственно в камеру сгорания, причем топливный инжекторный клапан содержит полый корпус клапана, который содержит наконечник клапана, вводимый в камеру сгорания; отверстие предварительной топливной форсунки, снабженное наконечником клапана для впрыскивания топлива в направлении устройства для содействия воспламенению газообразного топлива; по меньшей мере одно отверстие основной топливной форсунки, предназначенное для впрыскивания топлива в большую пропорцию камеры сгорания по сравнению с отверстием предварительной топливной форсунки, причем отверстие основной топливной форсунки имеет объединенную открытую площадь больше, чем открытая площадь отверстия предварительной топливной форсунки; иглу клапана, расположенную в полом корпусе клапана, причем игла клапана выполнена с возможностью перемещения между закрытым положением, в котором сжатое количество газообразного топлива содержится в полом корпусе клапана, первым открытым положением, в котором газообразное топливо впрыскивают только через отверстие предварительной топливной форсунки, и вторым открытым положением, в котором газообразное топливо впрыскивают через отверстие предварительной топливной форсунки и через отверстие основной топливной форсунки.

43. Двигатель по п.42, в котором наконечник клапана расположен по центру на панели зажигания, а устройство для содействия воспламенению смещено на радиальное расстояние от наконечника клапана.

44. Двигатель по п.42, в котором устройство для содействия воспламенению представляет собой запальную свечу.

45. Двигатель по п.44, который дополнительно содержит экран запальной свечи, причем один участок указанного экрана расположен в камере сгорания между запальной свечой и топливным инжекторным клапаном.

46. Двигатель по п.45, в котором указанный экран окружает запальную свечу.

47. Двигатель по п.45, в котором указанный экран ограничивает по меньшей мере два топливных канала, а именно, по меньшей мере один входной канал и по меньшей мере один выходной канал, причем указанный по меньшей мере один входной канал предназначен для приема первого количества газообразного топлива, которое воспламеняется при помощи запальной свечи, при этом указанный по меньшей мере один выходной канал предназначен для направления пламени во второе количество газообразного топлива, находящегося снаружи от выходного канала, и направляемого при помощи указанного экрана за пределы указанного выходного канала, причем пламя воспламеняет второе количество газообразного топлива и создается во время сгорания первого количества газообразного топлива.

48. Двигатель по одному из пп.42-47, который содержит контроллер для управления иглой клапана.

49. Двигатель по п.48, в котором, когда контроллер подает команду на работу в режиме высокой нагрузки, он подает команду на перемещение иглы клапана в первое открытое положение, когда поршень находится в положении угла поворота коленчатого вала от 60 до 30° до верхней мертвой точки.

50. Двигатель по п.48, в котором, когда контроллер подает команду на работу в режиме выше заранее установленной пороговой нагрузке, он работает в первом рабочем режиме, в котором контроллер подает команду на перемещение иглы клапана в первое открытое положение, когда поршень находится в положении угла поворота коленчатого вала от 60 до 30° до верхней мертвой точки, и во второе открытое положение, когда температура в камере сгорания становится равной температуре самовоспламенения газообразного топлива или выше нее.

51. Двигатель по п.48, в котором режим заранее установленной пороговой нагрузки определяют по группам точек на многомерной характеристике нагрузки двигателя, причем каждая точка соответствует особому режиму нагрузки.

52. Экран запальной свечи для использования в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания с прямым впрыском газообразного топлива, причем указанный экран запальной свечи имеет внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, противоположную указанной внешней поверхности, при этом указанный экран образует по меньшей мере одну входную радиальную плоскость и по меньшей мере одну выходную радиальную плоскость, причем каждая радиальная плоскость выступает из указанной внешней поверхности, при этом каждая указанная плоскость образует по меньшей мере одну линию пересечения, выступающую назад из указанной внутренней поверхности, для каждой указанной по меньшей мере одной входной радиальной плоскости и указанной по меньшей мере одной выходной радиальной плоскости, и по меньшей мере одну входную линию, где указанная по меньшей мере одна входная радиальная плоскость пересекает указанную внешнюю поверхность, и по меньшей мере одну выходную линию, где указанная по меньшей мере одна выходная радиальная плоскость пересекает указанную внешнюю поверхность, причем все углы между всеми указанными по меньшей мере одной входной радиальной плоскостью и всеми указанными по меньшей мере одной выходной радиальной плоскостью на указанной по меньшей мере одной линии пересечения превышают 45°, при этом экран ограничивает по меньшей мере два канала, один входной канал и один выходной канал, причем указанный входной канал расположен по центру каждой указанной по меньшей мере одной входной линии, а указанный выходной канал расположен по центру каждой указанной по меньшей мере одной выходной линии.

53. Экран запальной свечи по п.52, имеющий цилиндрическую форму.

54. Экран запальной свечи по п.53, образующий верхнюю плоскость, где указанный экран подвешивают к панели зажигания в камере сгорания двигателя внутреннего сгорания, причем указанный входной канал и указанный выходной канал расположены на одинаковом расстоянии от указанной верхней плоскости.

55. Экран запальной свечи по п.52, в котором указанный канал представляет собой отверстие.

56. Способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, включающий в себя следующие операции: направление всасываемой смеси в камеру сгорания, сжатие всасываемой смеси в указанной камере сгорания, определение момента, когда нагрузка двигателя станет равной заранее установленной пороговой нагрузке или больше нее, работа в первом рабочем режиме, когда нагрузка двигателя станет равной указанной заранее установленной пороговой нагрузке или больше нее, который предусматривает: впрыскивание во время сжатия указанной всасываемой смеси первого количества топлива во входной канал, ограниченный при помощи экрана запальной свечи и идущий в указанную камеру сгорания, причем указанный экран запальной свечи расположен между указанным инжектором и запальной свечой в непосредственной близости от указанного экрана, в результате чего первое количество топлива воспламеняется на запальной свече после прохождения через входной канал, направление пламени от горения первого количества топлива ко второму количеству топлива через выходной канал, образованный в указанном экране, причем второе количеств топлива направляют на другую сторону экрана и за пределы выходного канала, при этом пламя вызывает воспламенение второго количества топлива, а сгорание первого и второго повышает температуру всасываемой смеси в камере сгорания; впрыскивание третьего количества топлива непосредственно в камеру сгорания в момент, близкий к завершению сжатия всасываемой смеси, когда температура всасываемой смеси становится равной температуре самовоспламенения топлива или выше нее.

57. Способ по п.56, в котором топливо представляет собой газообразное топливо.

58. Способ по п.57, в котором топливо представляет собой по меньшей мере один из видов топлива, который выбирают из группы, в которую входят метан, этан, пропан, бутан и водород.