Топливный клапан и способ впрыска газообразного топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания - RU2618800C2
Код документа: RU2618800C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к клапану для газообразного топлива для воспламеняющегося от сжатия двигателя внутреннего сгорания с системой подачи газообразного топлива, в частности, к клапану для газообразного топлива для большого низкоскоростного прямоточного двухтактного двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом и с системой подачи газообразного топлива.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В двигательных системах крупных судов или приводах на электростанциях, как правило, используются большие низкоскоростные двухтактные (дизельные) двигатели крейцкопфного типа с воспламенением от сжатия. Очень часто эти двигатели работают на мазуте или на дизельном топливе.
В недавнем прошлом возник спрос на большие двухтактные дизельные двигатели, выполненные с возможностью работы на альтернативных видах топлива, таких как газ, угольная суспензия, нефтяной кокс и т.п., в особенности, газ.
Газообразное топливо, например, природный газ, является относительно чистым топливом, в результате чего при использовании его в качестве топлива для большого низкоскоростного прямоточного двухтактного двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом наблюдаются значительно более низкие уровни сернистых компонентов, NOX и СО2 в выхлопных газах, по сравнению с, например, использованием в качестве топлива мазута.
Тем не менее существуют проблемы, связанные с использованием газообразного топлива в больших низкоскоростных прямоточных двухтактных двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом. Одной из этих проблем является готовность и предсказуемость газа к воспламенению от сжатия при впрыске в камеру сгорания, при этом и то и другое в двигателе с воспламенением от сжатия необходимо держать под контролем. Таким образом, в существующих больших низкоскоростных прямоточных двухтактных двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом используется предварительный впрыск масла или другой воспламеняющей жидкости одновременно с впрыском газообразного топлива, чтобы обеспечить надежное и должным образом синхронизированное воспламенение газообразного топлива.
Большие низкоскоростные прямоточные двухтактные двигатели внутреннего сгорания с турбонаддувом, как правило, используются для приведения в движение больших океанских грузовых судов и, поэтому, надежность имеет первостепенное значение. Работа этих двигателей на газообразном топливе представляет собой все еще сравнительно недавнюю разработку, и надежность работы с газом пока не достигла уровня традиционного топлива. Таким образом, все существующие большие низкоскоростные двухтактные дизельные двигатели представляют собой двигатели, предназначенные для работы с двумя топливами, с топливной системой для работы на газообразном топливе и с топливной системой для работы с дизельным топливом, так что они могут работать на полной мощности, работая только на дизельном топливе.
Эти двигатели из-за большого диаметра их камер сгорания, как правило, снабжены тремя клапанами впрыска топлива на цилиндр, разделенными углом приблизительно в 120° вокруг центрального выпускного клапана. Таким образом, при использовании двойной топливной системы имеется три клапана для газообразного топлива на цилиндр и три клапана дизельного топлива на цилиндр, причем один топливный клапан для впрыска дизельного топлива расположен близко к соответствующему клапану для впрыска газа так, чтобы обеспечивать надежное воспламенение газообразного топлива и, поэтому, верхняя крышка цилиндра является относительно перегруженным местом.
Чтобы обеспечить предварительный впрыск дизельного топлива во время работы с газообразным топливом, в существующих двигателях с двойной топливной системой используются клапаны для дизельного топлива. Эти клапаны имеют такие размеры, что они обеспечивают возможность доставки дизельного топлива в количестве, необходимом для работы двигателя с полной нагрузкой только на дизельном топливе. Тем не менее количество дизельного топлива в предварительном впрыске должно быть как можно меньше, чтобы получить требуемое снижение выхлопов. Дозирование такого небольшого количества в полноразмерной системе впрыска топлива, которая также может доставлять и большое количество топлива, необходимого для работы при полной нагрузке, создает значительные технические проблемы и на практике очень трудно достижима; поэтому дозирование предварительного впрыскиваемого за один впрыск дизельного топлива в существующих двигателях больше, чем требуется, особенно при средней и низкой нагрузке. Альтернатива в виде дополнительной небольшой системы впрыска, которая может управлять небольшим предварительным количеством, представляет собой значительное осложнение и повышение стоимости. Кроме того, дополнительные небольшие клапаны предварительного впрыска дизельного топлива делают верхнюю крышку цилиндра еще более перегруженной.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С учетом такого уровня техники, целью настоящей заявки является выполнение топливного клапана для воспламеняющегося от сжатия двигателя внутреннего сгорания, который преодолевает или по меньшей мере уменьшает указанные выше проблемы.
Эта цель, в соответствии с одним аспектом, достигается путем создания топливного клапана для впрыска газообразного топлива в камеру сгорания воспламеняющегося от сжатия двигателя внутреннего сгорания, причем топливный клапан содержит удлиненный корпус с задним концом и передним концом; форсунку с удлиненным корпусом и полой внутренней частью, которая образует камеру, соединенную с отверстиями форсунки, причем форсунка расположена на переднем конце удлиненного корпуса клапана, а камера имеет удлиненную форму, и ее один продольный конец образует впускное отверстие для газообразного топлива и воспламеняющей жидкости, а вблизи второго продольного конца камеры отверстия форсунки соединены с указанной камерой; впускное отверстие для газообразного топлива в удлиненном корпусе топливного клапана для соединения с источником газообразного топлива высокого давления; впускное отверстие для воспламеняющей жидкости для соединения с источником воспламеняющей жидкости; средство для установления синхронизированного проточного соединения между впускным отверстием для газообразного топлива и камерой воспламенения; и средство, выполненное с возможностью синхронизированной доставки конечного объема воспламеняющей жидкости в камеру для воспламенения газообразного топлива внутри камеры.
Путем доставки конечного объема воспламеняющей жидкости в камеру в форсунке может быть достигнуто надежное и управляемое воспламенение газообразного топлива внутри камеры в форсунке, используя, при этом, простые средства доставки воспламеняющей жидкости и с небольшим ее потреблением, улучшая, тем самым, уровень выбросов.
В первой возможной реализации первого аспекта средство, выполненное с возможностью синхронизированной доставки конечного объема воспламеняющей жидкости в камеру, выполнено с возможностью доставки управляемого объема воспламеняющей жидкости.
Во второй возможной реализации первого аспекта конечное и управляемое количество воспламеняющей жидкости значительно меньше, чем объем камеры.
В третьей возможной реализации первого аспекта топливный клапан выполнен с возможностью доставки конечного объема воспламеняющей жидкости в камеру непосредственно перед доставкой газообразного топлива.
В четвертой возможной реализации первого аспекта топливный клапан выполнен с возможностью доставки конечного объема воспламеняющей жидкости в камеру в начале доставки газообразного топлива.
В пятой возможной реализации первого аспекта обеспечивается возможность добавления конечного объема воспламеняющей жидкости к газообразному топливу до поступления газообразного топлива в камеру, причем также обеспечивается возможность поступления газообразного топлива и воспламеняющей жидкости в камеру через одно и то же отверстие.
В шестой возможной реализации первого аспекта обеспечивается возможность поступления конечного объема воспламеняющей жидкости и газообразного топлива в камеру через отдельные отверстия.
В седьмой возможной реализации первого аспекта камера имеет удлиненную форму, причем один продольный конец образует впускное отверстие для газообразного топлива и воспламеняющей жидкости, а отверстия форсунки соединены с камерой вблизи второго продольного конца камеры.
В восьмой возможной реализации первого аспекта форсунка выполнена с возможностью работы при температуре выше 300°С.
В девятой возможной реализации первого аспекта форсунка содержит основание и удлиненный корпус, причем форсунка соединена своим основанием с передним концом удлиненного корпуса клапана и имеет закрытый кончик с отверстиями, расположенными вблизи кончика.
Указанная выше цель также достигается в соответствии со вторым аспектом, обеспечивая двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия с цилиндрами, системой газообразного топлива высокого давления, системой подачи воспламеняющей жидкости высокого давления, и одним или несколькими клапанами для газообразного топлива, выполненными в соответствии с любой из первой по девятую реализацией, установленными в крышках цилиндра двигателя, причем клапаны для газообразного топлива соединены с системой подачи газообразного топлива высокого давления и с системой подачи воспламеняющей жидкости.
В первой возможной реализации второго аспекта двигатель выполнен с возможностью сжатия-воспламенения впрыснутого газообразного топлива с помощью воспламеняющей жидкости и без использования другого воспламеняющего оборудования.
Во второй возможной реализации второго аспекта двигатель выполнен с возможностью воспламенения газообразного топлива после поступления газообразного топлива в камеру внутри форсунки.
В третьей возможной реализации второго аспекта источник газообразного топлива выполнен с возможностью доставки газообразного топлива в топливные клапаны под высоким давлением, причем источник воспламеняющей жидкости выполнен с возможностью доставки воспламеняющей жидкости под давлением, которое выше, чем давление источника газообразного топлива.
Указанная выше цель также достигается в соответствии с третьим аспектом путем создания способа впрыска и воспламенения газообразного топлива в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и с топливным клапаном, имеющим корпус, для впрыска газообразного топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, причем топливный клапан содержит форсунку с удлиненным корпусом, полой внутренней частью, которая образует камеру, и отверстиями, соединенными с камерой, причем форсунка расположена на переднем конце корпуса топливного клапана, а камера имеет удлиненную форму, и один продольный конец камеры образует впускное отверстие для газообразного топлива и воспламеняющей жидкости, а отверстия форсунки соединены с камерой вблизи второго продольного конца камеры, при этом способ включает: доставку газообразного топлива в топливный клапан под высоким давлением, запуск впрыска путем синхронизированного открытия топливного клапана (50), обеспечивая, таким образом, поток газообразного топлива в камеру сгорания через камеру в форсунке; доставку воспламеняющей жидкости в камеру в форсунке непосредственно перед или во время впрыска, обеспечивая, тем самым, воспламенение газообразного топлива внутри камеры; и окончание впрыска путем закрытия клапана для газообразного топлива.
В первой возможной реализации третьего аспекта в способе также доставляют газообразное топливо в топливный клапан при первом высоком давлении и доставляют воспламеняющую жидкость в топливный клапан при втором высоком давлении, причем второе высокое давление выше, чем первое высокое давление.
Во второй возможной реализации третьего аспекта в способе также смешивают газообразное топливо и воспламеняющую жидкость перед началом впрыска и одновременно доставляют газообразное топливо и воспламеняющую жидкость в камеру.
В третьей возможной реализации третьего аспекта в способе также доставляют газообразное топливо и воспламеняющую жидкость в камеру по отдельности.
Указанная выше цель также достигается в соответствии с четвертым аспектом путем создания способа управления двигателем внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, при этом способ включает: подачу сжатого газообразного топлива в топливный клапан двигателя при первом высоком давлении, причем топливный клапан содержит корпус, полую форсунку с удлиненным корпусом и отверстиями, соединяющими камеру в форсунке с камерой сгорания в цилиндре двигателя, причем форсунка расположена на переднем конце корпуса топливного клапана, а камера имеет удлиненную форму, и один ее продольный конец образует впускное отверстие для газообразного топлива и воспламеняющей жидкости, а отверстия форсунки соединены с камерой вблизи ее второго продольного конца; подачу воспламеняющей жидкости в топливный клапан при втором высоком давлении, которое выше, чем первое высокое давление; управление впрыском газообразного топлива с помощью выполненной с возможностью перемещения иглы клапана, которая взаимодействует с седлом клапана выше полой форсунки, причем топливная камера расположена выше седла клапана; повышение давления в топливной камере с помощью газообразного топлива; запуск впрыска газообразного топлива путем поднятия указанной выполненной с возможностью осевого перемещения иглы клапана от седла клапана; доставку небольшого объема воспламеняющей жидкости в камеру непосредственно перед или во время впрыска; и окончание впрыска путем перемещения выполненной с возможностью осевого перемещения иглы клапана обратно к седлу клапана.
В первой возможной реализации четвертого аспекта газообразное топливо воспламеняют в камере с помощью воспламеняющей жидкости.
Во второй возможной реализации четвертого аспекта температуру форсунки поддерживают выше 300°С в течение всего цикла двигателя.
Указанная выше цель также достигается в соответствии с пятым аспектом, обеспечивающим применение смазывающего транспортное средство или двигатель масла или дизельного топлива в качестве воспламеняющей жидкости в способе впрыска и воспламенения газообразного топлива в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, с топливным клапаном для впрыска газообразного топлива в камеру сгорания указанного двигателя, причем топливный клапан содержит форсунку с полой внутренней частью, которая образует камеру, и отверстия форсунки, соединенные с камерой, при этом способ включает: доставку газообразного топлива к топливному клапану при высоком давлении; запуск впрыска путем синхронизированного открытия топливного клапана, обеспечивая, таким образом, поток газообразного топлива в камеру сгорания через камеру в форсунке; доставку воспламеняющей жидкости в камеру в форсунке непосредственно перед или во время впрыска, обеспечивая, тем самым, воспламенение газообразного топлива внутри камеры; и окончание впрыска путем закрытия клапана для газообразного топлива.
В первой реализации пятого аспекта в способе также доставляют газообразное топлива в топливный клапан при первом высоком давлении и доставляют воспламеняющую жидкость в топливный клапан при втором высоком давлении, которое больше, чем первое высокое давление.
Во второй реализации пятого аспекта в способе также смешивают газообразное топливо и воспламеняющую жидкость перед началом впрыска и одновременно доставляют газообразное топливо и воспламеняющую жидкость в камеру.
В третьей реализации пятого аспекта в способе доставляют газообразное топливо и воспламеняющую жидкость в камеру по отдельности.
В четвертой реализации пятого аспекта газообразное топливо воспламеняют в камере с помощью воспламеняющей жидкости.
В пятой реализации пятого аспекта температуру форсунки поддерживают выше 300°С в течение всего цикла двигателя.
В шестой реализации пятого аспекта воспламеняющая жидкость имеет вязкость в диапазоне от 25 сСт до 750 сСт, предпочтительно между 75 сСт и 725 сСт, а наиболее предпочтительно от 150 сСт до 700 сСт.
В седьмой реализации пятого аспекта способа воспламеняющая жидкость имеет точку воспламенения выше 30°С, предпочтительно выше 45°С, и наиболее предпочтительно выше 60°С.
Дальнейшие цели, признаки, преимущества и свойства топливного клапана, двигателя, способов и применения, выполненных в соответствии с настоящим изобретением, станут очевидными из подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В нижеследующей подробной части настоящего описания настоящее изобретение описано более подробно со ссылкой на иллюстративные варианты выполнения, показанные на чертежах, на которых:
Фиг. 1 изображает вид спереди большого двухтактного дизельного двигателя, выполненного в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
Фиг. 2 представляет собой вид сбоку большого двухтактного двигателя, изображенного на Фиг. 1,
Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение большого двухтактного двигателя, изображенного на Фиг. 1, и
Фиг. 4 представляет собой схематический разрезе иллюстративного варианта выполнения системы газообразного топлива двигателя, изображенного на Фиг. 1, верхней части цилиндра,
Фиг. 5 представляет собой схематический вид сверху цилиндра и системы впрыска газообразного топлива в варианте выполнения, показанном на Фиг. 4, и
Фиг. 6 представляет собой вид в разрезе клапана для впрыска газообразного топлива, используемого в двигателе, показанном на Фиг. 1, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения,
Фиг. 7 представляет собой фрагмент вида, изображенного на Фиг. 6,
Фиг. 8 показывает подробный вид в разрезе другого иллюстративного варианта выполнения клапана для впрыска газообразного топлива, используемого в двигателе, показанном на Фиг. 1,
Фиг. 9 представляет собой вид сверху топливного клапана, показанного на Фиг. 6-8,
Фиг. 10 представляет собой разрез форсунки для использования с топливным клапаном, показанным на Фиг. 6-9,
Фиг. 11 представляет собой разрез, иллюстрирующий положение топливного клапана, изображенного на Фиг. 6-9, в крышке цилиндра,
Фиг. 12 представляет собой разрез клапана для впрыска газообразного топлива, выполненного в соответствии с другим вариантом выполнения,
Фиг. 13 представляет собой разрез клапана для впрыска газообразного топлива, выполненного в соответствии с еще одним вариантом выполнения,
Фиг. 14 представляет собой фрагмент вида, изображенного на Фиг. 13,
Фиг. 15 показывает подробный разрез другого иллюстративного варианта выполнения клапана для впрыска газообразного топлива для использования в двигателе, показанном на Фиг. 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
В последующем подробном описании воспламеняющийся от сжатия двигатель внутреннего сгорания описан со ссылкой на большой двухтактный низкоскоростной (дизельный) двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом, описанный в иллюстративных вариантах выполнения. Фиг. 1, 2 и 3 показывают большой низкоскоростной двухтактный дизельный двигатель с турбонаддувом с коленчатым валом 42 и крейцкопфами 43. На Фиг. 3 показано схематическое представление большого низкоскоростного двухтактного дизельного двигателя с турбонаддувом с его системами впуска и выхлопа. В этом иллюстративном варианте выполнения двигатель имеет четыре цилиндра 1, расположенные в ряд. Большие низкоскоростные двухтактные дизельные двигатели с турбонаддувом имеют, как правило, от четырех до четырнадцати цилиндров в ряд, установленных в раме 13 двигателя. Двигатель может, например, использоваться в качестве основного двигателя в океанском судне или в качестве стационарного двигателя для эксплуатации генератора на электростанции. Полная выходная мощность двигателя может, например, составлять от 1000 до 110000 кВт.
Двигатель в этом иллюстративном варианте выполнения представляет собой двухтактный дизельный двигатель прямоточного типа с продувочными отверстиями в нижней части цилиндров 1 и с центральным выпускным клапаном 4 в верхней части цилиндров 1. Продувочный воздух проходит из ресивера 2 продувочного воздуха в продувочные отверстия (не показаны) отдельных цилиндров 1. Поршень 41 в цилиндре 1 сжимает продувочный воздух, топливо впрыскивается из клапанов для впрыска топлива в крышке цилиндра, после чего следует сгорание и генерируется выхлопной газ. Когда выпускной клапан 4 открыт, выхлопной газ проходит через выхлопной канал, связанный с цилиндром 1, в ресивер 3 выхлопного газа и далее через первый выхлопной канал 18 в турбину 6 турбокомпрессора 5, из которого выхлопной газ протекает через второй выхлопной канал через экономайзер 28 к выпускному отверстию 29 и в атмосферу. Посредством вала турбина 6 приводит в движение компрессор 9, в который через впускное отверстие воздушного компрессора 10 подается свежий воздух. Компрессор 9 доставляет сжатый продувочный воздух в продувочный воздуховод 11, ведущей к ресиверу 2 продувочного воздуха.
Продувочный воздуховод 11 проходит промежуточный охладитель 12 для охлаждения продувочного воздуха, который выходит из компрессора при температуре приблизительно 200°С, до температуры между 36°С и 80°С.
Охлажденный продувочный воздух проходит через дополнительный вентилятор 16, приводимый в действие электродвигателем 17, который повышает давление потока продувочного воздуха, когда компрессор 9 турбонагнетателя 5 не обеспечивает достаточное давление для ресивера 2 продувочного воздуха, то есть в условиях низкой или неполной нагрузки на двигатель. При более высоких нагрузках на двигатель компрессор 9 турбонагнетателя обеспечивает достаточное количество сжатого продувочного воздуха, и тогда вспомогательный вентилятор 16 обходится через обратный клапан 15.
В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, Фиг. 4 и 5 показывают верхнюю часть одного из нескольких цилиндров 1. Верхняя крышка 48 цилиндров 1 имеет три клапана 50 для газообразного топлива, предназначенных для впрыскивания газообразного топлива из выпускного отверстия топливных клапанов 50, например, форсунки, в камеру сгорания в цилиндре 1. Этот иллюстративный вариант выполнения показывает три клапана 50 газообразного топлива на цилиндр, но следует понимать, что может быть достаточно один или два клапана для газообразного топлива, в зависимости от размера камеры сгорания. Клапан 50 имеет впускное отверстие 53, соединенное с каналом 62 подачи газообразного топлива, который подает газообразное топливо в клапан 50 для газообразного топлива под высоким давлением. Один из трех клапанов 50 имеет канал 62 подачи, а два других клапана 50 питаются из канала 63 подачи. В этом варианте выполнения каналы 62, 63 подачи представляют собой просверленные отверстия в верхней крышке 48, которые соединяются с аккумулятором 60 газа, связанным с цилиндром 1. Аккумулятор 60 газа получает газ высокого давления из системы подачи газа (не показана), которая содержит газовые резервуары и насосы высокого давления.
В данном описании «газообразное топливо» в широком смысле определяется как любое горючее топливо, которое при атмосферном давлении и температуре окружающей среды находится в газовой фазе.
Клапан 50 для газообразного топлива также имеет впускное отверстие, соединенное с источником, таким как, например, 57, воспламеняющей жидкости под давлением и выполнен с возможностью доставки воспламеняющей жидкости под высоким давлением, которое выше, чем давление газообразного топлива на более или менее постоянную величину. Источник 57 сжатой воспламеняющей жидкости имеет давление, которое по меньшей мере немного выше давления источника 60 газообразного топлива. Преимущество изобретения заключается в том, что обычные масла для смазки транспортного средства или жидкие топлива, такие как уплотняющее масло, морское дизельное топливо, биодизель, смазочное масло, мазут или диметиловый эфир (DME), в соответствии с настоящим изобретением, могут найти дополнительное применение в качестве воспламеняющей жидкости.
Каждый цилиндр 1 в этом иллюстративном варианте выполнения имеет аккумулятор 60 газообразного топлива. Аккумулятор 60 газообразного топлива содержит некоторое количество газообразного топлива под высоким давлением (например, приблизительно 300 бар), которое готово для доставки в топливные клапаны 50 цилиндра 1. Каналы 62, 63 подачи газообразного топлива проходят между аккумулятором 60 газообразного топлива и соответствующим клапаном 50 представляющего интерес цилиндра 1.
В выпускном отверстии аккумулятора 60 газообразного топлива выполнена диафрагма 61, которая регулирует поток газообразного топлива от аккумулятора 60 в каналы 62, 63 подачи газообразного топлива.
Три клапана 49 для дизельного топлива выполнены в верхней крышке 48 для работы двигателя на дизельном топливе. Клапаны для дизельного топлива соединены с источником топлива высокого давления хорошо известным способом. В одном варианте выполнения (не показан) двигатель выполнен с возможностью работы только на газообразном топливе и в этом варианте выполнения двигатель не имеет топливных клапанов.
Двигатель имеет блок электронного управления (ECU), который управляет работой двигателя. Сигнальные линии соединяют блок электронного управления (ECU) с клапанами 50 для газообразного топлива, с клапанами 49 для дизельного топлива и с диафрагмами 61.
Блок электронного управления (ECU) выполнен с возможностью правильной синхронизации времени впрыска для клапана для газообразного топлива и управления дозировкой этого топлива с помощью клапанов 50.
Блок электронного управления (ECU) открывает и закрывает диафрагмы 61 таким образом, чтобы гарантировать, что каналы 62, 63 подачи заполнены газообразным топливом под высоким давлением перед началом впрыска газообразного топлива под управлением клапана 50.
На Фиг. 6, 7 и 9 изображен топливный клапан 50 для впрыска газообразного топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и для доставки воспламеняющей жидкости. Топливный клапан 50 имеет удлиненный корпус 52 с задним концом 88 и форсунку 54 на переднем конце. Задний конец 88 имеет несколько отверстий, включая управляющее отверстие 72, отверстие 78 для воспламеняющей жидкости и отверстие 86 для обнаружения утечек газа. Задний конец 88 увеличен в размере и образует головку с отверстиями 94 для вставления болтов (не показаны), которые закрепляют топливный клапан 50 в крышке 48 цилиндра. В настоящем варианте выполнения топливные клапаны расположены вокруг центрального выпускного клапана 4, т.е. относительно близко к стенкам гильзы цилиндра. Удлиненный корпус 52 клапана и другие элементы клапана 50 для впрыска топлива, а также и форсунка в этом варианте выполнения выполнены из стали, например из нержавеющей стали.
Полая форсунка 54 имеет отверстия 56, которые соединены с полой внутренней частью 55 (внутренним объемом камеры) форсунки, и при этом отверстия 56 форсунки распределены по длине и в радиальном направлении по всей форсунки 54. Отверстия форсунки расположены аксиально близко к кончику, а их радиальное распределение в настоящем варианте выполнения лежит в пределах относительно узкого диапазона в приблизительно 50°, причем радиальная ориентация отверстий форсунки такова, что форсунки направлены от стенок гильзы цилиндра. Кроме того, форсунки направлены таким образом, что они проходят в том же направлении, что и направление завихрения продувочного воздуха в камере сгорания, вызванного конфигурацией продувочных отверстий.
Кончик 59 форсунки 54 (Фиг. 10) в этом варианте выполнения показан закрытым. Задняя часть, или основание 51 форсунки 54 присоединена к переднему концу корпуса 52 так, что камера 55 в форсунке 54 открыта в направлении корпуса 52. В одном варианте выполнения камера 55 представляет собой продольный канал, проходящий от закрытого кончика к основанию 51 и открытый к задней части форсунки, с тем, чтобы соединить корпус 52 под седлом 69 клапана с отверстием/выпускным отверстием 68 на переднем конце удлиненного клапана.
В продольный канал 77 в удлиненном корпусе 52 клапана с возможностью скольжения вставлена выполненная с возможностью осевого перемещения игла 61 клапана с точно заданным зазором. Игла 61 имеет кончик, который выполнен с возможностью вхождения в уплотнительный контакт с седлом 69, которое установлено в удлиненном корпусе 52 клапана. В одном варианте выполнения седло 69 расположено вблизи переднего конца удлиненного корпуса 52 клапана. Удлиненный корпус 52 клапана имеет впускное отверстие 53 для газообразного топлива для соединения с источником 60 сжатого газообразного топлива, например, через каналы 62, 63 подачи газообразного топлива. Впускное отверстие 53 соединено с топливной камерой 58, которая находится в удлиненном корпусе 52 клапана, а топливная камера 58 окружает часть иглы 61. Седло 69 расположено между топливной камерой 58 и камерой 55, так что газообразное топливо может перетекать из топливной камеры 58 в камеру 55, когда игла 61 приподнята. Из камеры 55 газообразное топливо впрыскивается в камеру сгорания цилиндра 1 через отверстия 56 форсунки.
Игла 61 клапана имеет закрытое положение и открытое положение. В закрытом положении игла 61 опирается на седло 69. В своем закрытом положении игла 61, таким образом, предотвращает протекание газов из впускного отверстия 53 для газообразного топлива в форсунку 54. В своем открытом положении игла 61 приподнята от седла 69, обеспечивая, тем самым, поток из впускного отверстия 53 в форсунку 54.
Предварительно напряженная спиральная пружина 66 действует на иглу 61 клапана и поджимает ее в направлении закрытого положения на седле 69. Тем не менее следует понимать, что для поджатия иглы 61 в направлении закрытого положения могут быть предусмотрены другие средства, такие как давление газа или давление масла. В одном варианте выполнения один конец спиральной пружины 66 находится во взаимодействии с задним концом удлиненного корпуса 52 клапана, а второй конец спиральной пружины 66 взаимодействует с расширенным участком или фланцем 83 на заднем конце иглы 61 клапана, в результате чего задний конец иглы 61 образован приводным поршнем 64.
Клапан 50 имеет приводную систему для управляемого перемещения иглы 61 между ее закрытым и открытым положениями. В этом варианте выполнения приводная система содержит выполненный с возможностью осевого перемещения приводной поршень 64, который с возможностью скольжения вставлен в цилиндрический участок удлиненного корпуса 52 клапана. Приводной поршень 64 вместе с корпусом 52 клапана ограничивает приводную камеру 74. В этом варианте выполнения приводной поршень 64 является неотъемлемой и самой задней частью иглы 61 клапана. Тем не менее следует понимать, что приводной поршень 64 может быть функционально соединен с иглой 61 различными способами, например, путем резьбового соединения или путем сварки, при этом приводной поршень 64 предпочтительно перемещается одновременно с иглой 61, хотя это не является обязательным условием.
Приводная камера 74 проточно соединена с отверстием 72 для масла контура управления через канал масла контура управления. Отверстие 72 соединено с электронным клапаном 96 для масла контура управления (Фиг. 4), который, в свою очередь, подсоединен к источнику 97 масла контура управления высокого давления. Электронный клапан 96 предпочтительно имеет тип вкл/выкл и получает электрический управляющий сигнал от электронного блока управления (ECU) для управления впрыском.
В других вариантах выполнения (не показаны) игла клапана может приводиться в действие с помощью других средств приведения в действие, например, соленоида или линейного электродвигателя.
Приводной поршень 64 предпочтительно снабжен концентрическим цилиндром, который открыт по направлению к заднему концу корпуса, а внутри этого цилиндра с возможностью скольжения установлен неподвижный поршень 87. Приводной поршень 64 может быть выполнен с возможностью перемещения относительно неподвижного поршня 87. Цилиндр внутри приводного поршня 64 ограничивает камеру 80 вместе с неподвижным поршнем 87, который обеспечивает пространство для перемещения приводного поршня 64 в осевом направлении.
Удлиненный корпус 52 клапана имеет отверстие 78 для воспламеняющей жидкости, предназначенное для подсоединения к источнику 57 воспламеняющей жидкости. Канал 76 подачи воспламеняющей жидкости проходит в осевом направлении в удлиненном корпусе клапана и через неподвижный поршень 87 и проточно соединяет отверстие 78 с камерой 80.
Вторая часть канала подачи воспламеняющей жидкости продолжается коаксиально в иглу клапана в виде канала 82. Радиальные каналы 85 проходят от отверстия в игле 61 клапана из канала 82 к наружной поверхности иглы 61 для обеспечения возможности подачи воспламеняющей жидкости в зазор между удлиненным корпусом 52 и иглой 61, чтобы, тем самым, смазывать и герметизировать иглу 61 клапана, обеспечивая, тем самым, возможность использования воспламеняющей жидкости в качестве уплотняющего масла. Воспламеняющая жидкость протекает через зазор как вверх к приводной камере 74, так и вниз к топливной камере 58. Часть воспламеняющей жидкости, протекающей к приводной камере 74, смешивается с маслом контура управления. Это не имеет существенного влияния на масло контура управления. Часть воспламеняющей жидкости, которая протекает к топливной камере 58, накапливается в нижней части топливной камеры 58 как раз над седлом 69 клапана, тогда как игла 61 клапана опирается на седло 69 клапана, как показано на Фиг. 8.
Размеры зазора точно контролируют и выбирают таким образом, чтобы соответствующее количество воспламеняющей жидкости собиралось в нижней части топливной камеры 58 в течение времени цикла двигателя, когда выполненная с возможностью осевого перемещения игла 61 клапана опирается на седло 69 клапана. Соответствующее количество воспламеняющей жидкости представляет собой количество, которое является достаточным для создания надежного и стабильного воспламенения, и может, например, иметь значение в диапазоне 0,2 мг до 200 мг, в зависимости, например, от размера и нагрузки двигателя. Размеры зазора выбирают такими, по отношению к свойствам воспламеняющей жидкости, таким как, например, вязкость, что достигается постоянный поток воспламеняющей жидкости соответствующей величины, когда источник воспламеняющей жидкости имеет давление, которое несколько выше, чем давление источника газообразного топлива.
Для обнаружения утечек газа канал 84 обнаружения утечек газа в удлиненном корпусе 52 ведет к отверстию 86 для обнаружения утечек газа.
Впрыском газообразного топлива управляют посредством электронного блока управления (ECU) в течение времени открытия клапана 50 газообразного топлива, то есть количество газа, впрыскиваемого за один впрыск, определяется продолжительностью открытия клапана. Таким образом, по сигналу от электронного блока управления (ECU) давление масла контура управления в приводной камере 74 поднимается, и игла 61 клапана поднимается от седла 69 при перемещении из своего закрытого положения в открытое положение. Игла 61 клапана всегда выполняет полный ход из закрытого положения в открытое положение, когда давление масла контура управления поднимается и повышенное давление в приводной камере 74 приводит к перемещению поршня 64 против силы спиральной пружины 66 в осевом направлении от форсунки 54 и седла 69.
Воспламеняющая жидкость, накопленная в нижней части топливной камеры 58 (Фиг. 8), первой входит в камеру 55 в форсунке 54, а за ней следует газообразное топливо, т.е. газообразное топливо толкает воспламеняющую жидкость вперед и в камеру 55. Таким образом, воспламеняющая жидкость, которая накопилась в камере 58 сгорания, поступает в камеру 55 в форсунке 54 как раз впереди газообразного топлива. В момент времени непосредственно перед открытием топливного клапана 50, из-за сжатия продувочного воздуха в камере сгорания, камера 55 заполнена смесью сжатого горячего воздуха и остаточного несгоревшего газообразного топлива (отверстия 56 форсунки обеспечивают поток воздуха из камеры сгорания в камеру 55). Таким образом, сразу после открытия топливного клапана 50 внутри камеры 55 присутствуют горячий сжатый воздух, воспламеняющая жидкость и газообразное топливо. Это приводит к управляемому и повторяемому воспламенению газообразного топлива уже внутри полой форсунки 54.
На Фиг. 12 изображен другой вариант выполнения топливного клапана 50, который по существу идентичен варианту выполнения, показанному на предшествующих чертежах, за исключением того, что зазор 77 выполнен таким, в отношении вязкости уплотняющего масла, подаваемого из источника герметизации через отверстие 178 и канал 176, осевой канал 182 и радиальные каналы 185, что практически нет утечки уплотнительного масла в камеру сгорания. Вместо этого, отдельный канал 99 воспламеняющей жидкости соединяет топливную камеру 58 с отверстием 98 для воспламеняющей жидкости. Канал 99 воспламеняющей жидкости имеет постоянное гидравлическое сопротивление 100, например, в виде пропускного отверстия с постоянным сечением, для того, чтобы регулировать и контролировать количество воспламеняющей жидкости, которая поступает в топливную камеру 58 во время периода закрытия выполненной с возможностью осевого перемещения иглы 61 клапана.
Отверстие 98 для воспламеняющей жидкости соединено с источником воспламеняющей жидкости под высоким давлением, которое несколько выше, чем давление источника газообразного топлива. Работа клапана, в соответствии с вариантом выполнения, показанным на Фиг. 12, по существу идентична работе топливного клапана, описанного со ссылкой на предшествующие чертежи.
Фиг. 13 и 14 иллюстрируют другой иллюстративный вариант выполнения топливного клапана. Этот вариант выполнения по существу идентичен варианту выполнения, показанному со ссылкой на Фиг. 6-8, за исключением того, что в систему подачи воспламеняющей жидкости входит отдельный насосный узел.
Цилиндр внутри приводного поршня 64 вместе с неподвижным поршнем 87 ограничивает насосную камеру 80. Для предотвращения потока из насосной камеры 80 к отверстию 78 для воспламеняющей жидкости между этим отверстием 78 и насосной камерой 80 расположен обратный клапан 79.
Канал 67 впрыска воспламеняющей жидкости проходит в осевом направлении внутри иглы 61. Насосная камера 80 имеет впускное отверстие, проточно соединенное с отверстием 78 для воспламеняющей жидкости с помощью канала 76 подачи воспламеняющей жидкости, и выпускное отверстие, соединенное с первым концом канала 67 впрыска воспламеняющей жидкости.
Второй конец канала 67 оканчивается на кончике иглы 61, причем второй конец канала 67 выполнен с возможностью впрыска воспламеняющей жидкости в камеру 55 внутри форсунки 54.
Насосная камера 80 сжимается, когда игла 61 клапана перемещается из закрытого положения в открытое положение и, тем самым, приводной поршень 64 перемещается к заднему концу корпуса 52.
Насосная камера 80 расширяется, когда игла 61 перемещается из открытого положения в закрытое положение, потому что, таким образом, приводной поршень 64 отодвигается от заднего конца корпуса 52.
Второй конец канала 67 проточно соединен с форсункой 54, так что воспламеняющая жидкость доставляется в форсунку 54, когда насосная камера 80 сжимается. Когда насосная камера 80 расширяется, она пополняется воспламеняющей жидкостью из источника 57 воспламеняющей жидкости через канал 76 подачи воспламеняющей жидкости.
Для предотвращения потока в канале впрыска воспламеняющей жидкости в сторону насосной камеры 80 клапан 50 для газообразного топлива содержит обратный клапан 65, расположенный в канале 67 впрыска воспламеняющей жидкости.
Канал 76 подачи воспламеняющей жидкости проходит в корпусе 52 и в осевом направлении через неподвижный поршень 87, проточно соединяя отверстие 78 для воспламеняющей жидкости с насосной камерой 80.
В игле 61 проходят радиальные уплотнительные каналы 85 от канала 67 впрыска воспламеняющей жидкости к наружной поверхности иглы 61 для обеспечения возможности подачи воспламеняющей жидкости в зазор между корпусом 52 и иглой клапана, с обеспечением смазывания и уплотнения иглы 61 клапана, обеспечивая, таким образом, возможность использования воспламеняющей жидкости в качестве уплотняющего масла.
Впрыском газообразного топлива для всех вариантов выполнения управляют электронным блоком управления (ECU) посредством продолжительности времени открытия клапана 50. Таким образом, по сигналу от электронного блока управления (ECU) давление масла контура управления в приводной камере 74 повышается и игла 61 клапана приподнимается от седла 69, перемещаясь из своего закрытого положения в открытое положение. Игла 61 клапана будет всегда выполнять полный ход из закрытого положения в открытое положение, когда давление масла контура управления повышается, при этом повышенное давление в приводной камере 74 принудительно перемещает приводной поршень 64 против силы спиральной пружины 66 в осевом направлении от форсунки 54 и седла 69.
Во время этого перемещения насосная камера 80 сжимается, и воспламеняющая жидкость выдавливается из камеры 80 и через канал 67 впрыска воспламеняющей жидкости впрыскивается из кончика иглы 61 клапана в камеру 55. Таким образом, в одном варианте выполнения количество воспламеняющей жидкости за один впрыск фиксируется, независимо от нагрузки на двигатель. Ход приводного поршня 64 и диаметр неподвижного насосного поршня 87 определяет количество воспламеняющей жидкости, доставляемой при каждом событии впрыска. Таким образом, требуемый объем воспламеняющей жидкости, необходимой для одного впрыска, получают путем выбора соответствующего хода приводного поршня 64 и соответствующего диаметра насосного поршня 87.
В конце впрыска ECU сбрасывает давление в приводной камере, и сила спиральной пружины 66 заставляет иглу 61 вернуться к седлу 69.
Вариант выполнения, показанный на Фиг. 15, по существу идентичен варианту выполнения, изображенному на Фиг. 13 и 14, за исключением того, что канал 67 впрыска воспламеняющей жидкости вблизи кончика иглы 61 разделен на два канала 67', которые оба оканчиваются на седле 69, так что проточное соединение между насосной камерой 80 и форсункой 54 закрыто, когда игла 61 опирается на седло 69. Таким образом, этот вариант выполнения может работать без обратного клапана, который предотвращает поток от второго конца канала 67 впрыска воспламеняющей жидкости к насосной камере 80.
В одном варианте выполнения (не показан) приводное средство содержит соленоид или линейный электродвигатель, при этом поршень и масло контура управления не нужны.
Двигателем внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия управляют путем подачи сжатого газообразного топлива в топливный клапан 50 двигателя при первом высоком давлении. Воспламеняющую жидкость подают в топливный клапан 50 при втором высоком давлении. Второе высокое давление выше, чем первое высокое давление. Впрыском газообразного топлива управляют с помощью иглы 61 клапана, которая взаимодействует с седлом 69 клапана выше полой форсунки 54. Над седлом 69 клапана расположена топливная камера 58, которая содержит сжатое газообразное топливо. Небольшой непрерывный поток воспламеняющей жидкости доставляется к топливной камере 58, и воспламеняющая жидкость накапливается над седлом 69 клапана в те периоды времени, когда игла 61 клапана опирается на седло 69. Впрыск газообразного топлива начинают с поднятия иглы 61 от седла 69, в результате чего накопленная воспламеняющая жидкость поступает в полую форсунку 54 непосредственно перед газообразным топливом. Затем газообразное топливо воспламеняют внутри форсунки 54 с помощью воспламеняющей жидкости, т.е. осуществляют управляемое воспламенение.
Двигатель выполнен с возможностью воспламенения впрыскиваемого газообразного топлива от сжатия с помощью воспламеняющей жидкости и без использования другого оборудования воспламенения.
Двигатель выполнен с возможностью воспламенения газообразного топлива при поступлении газообразного топлива в камеру внутри форсунки.
В одном варианте выполнения форсунку 54 поддерживают при температуре выше 300°С в течение всего цикла двигателя. В одном варианте выполнения температура внутри полой форсунки 54 в конце такта сжатия равна приблизительно 600 градусам Цельсия.
Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что обычное масло или дизельное топливо для смазывания транспортного средства или двигателя, такое как уплотняющее масло, морское дизельное топливо, биодизельное топливо, смазочное масло, мазут или диметиловый эфир (DME), может, в соответствии с настоящим изобретением, найти дополнительное применение также в качестве воспламеняющей жидкости.
Соответственно, далее описан пятый аспект настоящего изобретения, состоящий в применении масла или дизельного топлива, смазывающего транспортное средство или двигатель, в качестве воспламеняющей жидкости в способе впрыска и воспламенения газообразного топлива в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и с топливным клапаном 50, предназначенным для впрыска газообразного топлива в камеру сгорания указанного двигателя, причем топливный клапан содержит форсунку 52 с полой внутренней частью, которая образует камеру 55, и с отверстиями 56, соединенными с камерой 55, причем способ включает: доставку газообразного топлива в топливный клапан 50 при высоком давлении; запуск впрыска синхронизированным открытием топливного клапана 50, обеспечивая, тем самым, возможность протекания газообразного топлива в камеру сгорания через камеру 55 в форсунке 52; доставку воспламеняющей жидкости в камеру 55 в форсунке 52 непосредственно перед или во время впрыска, что способствует управляемому воспламенению газообразного топлива внутри камеры; и окончание впрыска путем закрытия клапана 50.
В одном варианте выполнения пятого аспекта описан способ, в котором также доставляют газообразное топливо в топливный клапан при первом высоком давлении и доставляют воспламеняющую жидкость в топливный клапан 50 при втором высоком давлении, причем второе высокое давление выше, чем первое высокое давление.
В одном варианте выполнения пятого аспекта описан способ, в котором также смешивают газообразное топливо и воспламеняющую жидкость перед началом впрыска и одновременно доставляют газообразное топливо и воспламеняющую жидкость в камеру 55.
В одном варианте выполнения пятого аспекта описан способ, в котором также доставляют газообразное топливо и воспламеняющую жидкость в камеру 55 по отдельности.
В одном варианте выполнения пятого аспекта описан способ, в котором газообразное топливо воспламеняют в камере 55 с помощью воспламеняющей жидкости.
В одном варианте выполнения пятого аспекта описан способ, в котором температуру форсунки 54 поддерживают выше 300°С в течение всего цикла двигателя.
В одном варианте выполнения пятого аспекта воспламеняющая жидкость имеет вязкость в диапазоне от 25 сСт до 750 сСт, предпочтительно между 75 сСт и 725 сСт, а наиболее предпочтительно от 150 сСт до 700 сСт.
В одном варианте выполнения пятого аспекта воспламеняющая жидкость имеет точку воспламенения выше 30°С, предпочтительно выше 45°С, и наиболее предпочтительно выше 60°С.
Термин «содержащий», как используется в формуле изобретения, не исключает другие элементы или этапы. Термины, обозначающие единственное число, используемые в формуле изобретения, не исключают множественное число. Электронный блок управления может выполнять функции нескольких средств, перечисленных в формуле изобретения.
Номера позиций, используемые в формуле изобретения, не должны быть истолкованы как ограничивающие объем изобретения.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было подробно описано с целью иллюстрации, следует понимать, что такие подробности приведены исключительно для этой цели, и при этом специалистами в данной области техники без отступления от объема настоящего изобретения могут быть выполнены различные модификации.
Реферат
Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия (ДВС). Предложен топливный клапан (50) для впрыска газообразного топлива в камеру сгорания ДВС. Топливный клапан (50) содержит удлиненный корпус (52), форсунку (54) с удлиненным корпусом и полой внутренней частью, которая образует камеру (55), соединенную с отверстиями (56) форсунки. Топливный клапан (50) содержит впускное отверстие (53) для газообразного топлива, впускное отверстие (78, 98) для воспламеняющей жидкости, средство (61, 69, 53, 58, 61, 69) для установления синхронизированного проточного соединения между впускным отверстием для газообразного топлива и камерой (55) воспламенения и средство (61, 67, 69, 76, 79, 85, 98, 99), выполненное с возможностью синхронизированной доставки конечного объема воспламеняющей жидкости в камеру (55) для воспламенения газообразного топлива внутри камеры (55). Технический результат – оптимизация системы топливоподачи за счет исключения отдельных устройств подачи воспламеняющей жидкости. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 15 ил.
