Двигатель внутреннего сгорания с впрыском газообразного топлива - RU2005135152A

Реферат

1. Двигатель внутреннего сгорания, питаемый горючим газовым топливом и содержащий, по меньшей мере, одну камеру сгорания, сформированную цилиндром, поршнем, установленным в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения, и головкой цилиндра, которая закрывает конец указанного цилиндра; устройство зажигания, помещенное своим концом в камеру сгорания и содержащее воспламенитель, в состав которого входит нагреваемый компонент, обеспечивающий наличие нагретой поверхности, и стакан, окружающий воспламенитель и образующий экранированное пространство между воспламенителем и стаканом, причем нагреваемый компонент выступает в экранированное пространство из держателя, установленного в головке цилиндра; клапан инжекции топлива, установленный внутри камеры сгорания и выполненный с возможностью подачи воспламеняемого газового топлива в камеру сгорания в виде распыленных струй топлива, каждая из которых истекает из одного из окон инжекции топлива, причем, по меньшей мере, одно из указанных окон инжекции топлива расположено таким образом, чтобы ориентировать струю топлива, именуемую инициирующей струей топлива, в направлении находящейся на поверхности стакана точки прихода струи топлива; по меньшей мере, одно сквозное впускное отверстие, выполненное в стакане вблизи указанной точки прихода струи топлива и связывающее экранированное пространство с камерой сгорания, так что когда инициирующая струя топлива достигает указанной точки прихода струи топлива, часть воспламеняемого газового топлива, содержащегося в инициирующей струе топлива, проходит через впускное отверстие в экранированное пространство; по меньшей мере, одно сквозное выпускное отверстие, выполненное в стакане, причем выпускное отверстие расположено таким образом, чтобы ориентировать горящую газовоздушную топливную смесь, истекающую из экранированного пространства, в направлении указанных струй топлива вблизи клапана инжекции топлива; причем конец нагреваемого компонента расположен на расстоянии не более 5 мм от оси впускного отверстия, а стакан ограничивает поток между экранированным пространством и камерой сгорания, так что горение воспламеняемого газового топлива внутри экранированного пространства создает в нем более высокое давление, чем давление внутри камеры сгорания, и достаточно высокое для того, чтобы горящая газовоздушная топливная смесь выбрасывалась в камеру сгорания и вступала в контакт с указанными струями топлива.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что конец нагреваемого компонента расположен на одном уровне с осью впускного отверстия и на расстоянии не более 1 мм от указанной оси.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что клапан инжекции топлива имеет продольную ось, параллельную продольной оси указанного цилиндра, а указанный конец устройства зажигания, находящийся в камере сгорания, расположен под углом к клапану инжекции топлива, так что продольная ось устройства зажигания расположена под острым углом к продольной оси клапана инжекции топлива.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из струй топлива подается в камеру сгорания через одно из указанных окон инжекции топлива, которое ориентировано таким образом, чтобы направлять указанную, по меньшей мере, одну струю топлива под углом инжекции, измеряемым от головки цилиндра, который отличается от угла инжекции инициирующей струи топлива.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что каждая из струй топлива имеет угол инжекции, измеряемый от головки цилиндра, который составляет 10°-25°.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью работы при степени сжатия между 13:1 и 25:1.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью работы при варьируемой степени сжатия.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанное впускное отверстие выполнено в боковой поверхности стакана, указанное выпускное отверстие выполнено в закругленной торцевой поверхности стакана, а стакан имеет закрытый конец, при этом указанные впускное и выпускное отверстия являются единственными каналами сообщения между камерой сгорания и экранированным пространством.

9. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанное впускное отверстие является одним из сквозных впускных отверстий, выполненных в стакане, причем каждое впускное отверстие расположено вблизи точки прихода струи топлива, с обеспечением возможности для части воспламеняемого газового топлива, содержащегося в указанной инициирующей струе топлива, прохода в экранированное пространство через впускные отверстия.

10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что имеются два впускных отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии от конца устройства зажигания, при этом центры указанных отверстий расположены друг от друга на расстоянии, близком к 3 мм, а точка прихода струи топлива расположена эквидистантно относительно указанных центров.

11. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что точка прихода струи топлива является средней точкой отрезка прямой линии, проведенной между центрами указанных двух впускных отверстий на одинаковом расстоянии от конца устройства зажигания.

12. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанное выпускное отверстие является одним из сквозных выпускных отверстий, выполненных в стакане.

13. Двигатель по п.12, отличающийся тем, что каждое из указанных впускных и выпускных отверстий выполнено круглым и имеет диаметр не менее 0,5 мм и не более 1,2 мм.

14. Двигатель по п.12, отличающийся тем, что размер каждого из выпускных отверстий определяется суммарной площадью проходного сечения, необходимой для обеспечения требуемого потока через указанные выходные окна в процессе работы двигателя в условиях полной нагрузки.

15. Двигатель по п.14, отличающийся тем, что суммарная площадь проходного сечения впускных и выпускных отверстий находится в интервале 0,75-5,0 мм².

16. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что воспламенитель представляет собой накальную свечу, по меньшей мере, часть которой имеет керамическую поверхность или каталитического покрытие, способствующее реакциям с участием воспламеняемого газового топлива и воздуха с образованием в экранированном пространстве продуктов реакции, способствующих осуществлению зажигания при более низкой температуре поверхности.

17. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в поршне выполнено углубление, задающее геометрию камеры сгорания.

18. Двигатель по п.17, отличающийся тем, что клапан инжекции топлива установлен в головке цилиндра и согласован по положению с центром указанного углубления.

19. Двигатель по п.18, отличающийся тем, что расстояние между точкой прихода струи топлива и окном инжекции топлива, соответствующим указанной инициирующей струе топлива, составляет 5-10% диаметра указанной полости.

20. Двигатель по п.19, отличающийся тем, что расстояние между точкой прихода струи топлива и окном инжекции топлива, соответствующим указанной инициирующей струе топлива, составляет 3-8 мм.

21. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что клапан инжекции топлива выполнен с возможностью осуществления нескольких индивидуальных актов инжекции в течение одного цикла сгорания топлива при возможности изменения массового расхода топлива через указанный клапан, посредством перемещения содержащейся в нем иглы, в течение любого акта инжекции от нуля до максимального предусмотренного значения.

22. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что размер каждого из указанных окон инжекции топлива определяется суммарной площадью проходного сечения, необходимой для обеспечения требуемого потока топлива через окна инжекции топлива в процессе работы двигателя в условиях полной нагрузки.

23. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит систему рециркуляции выхлопных газов, обеспечивающую подачу в систему забора воздуха части выхлопных газов, выходящих из камеры сгорания, причем, в зависимости от измеренных параметров работы двигателя, указанная часть выхлопных газов охлаждается перед подачей в систему забора воздуха.

24. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что клапан инжекции топлива содержит от четырех до двенадцати окон инжекции топлива.

25. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что клапан инжекции топлива выполнен с электромагнитным переключением и гидравлическим приводом инжекции топлива, содержащим гидравлический клапан с пьезоэлектрическим приводным компонентом.

26. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что клапан инжекции топлива выполнен с электронным управлением и с приводом от электромагнитного, пьезоэлектрического или магнитострикционного приводного компонента.

27. Способ осуществления рабочего цикла в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе, содержащем, по меньшей мере, одну камеру сгорания, сформированную цилиндром, поршнем, установленным в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения, и головкой цилиндра, которая закрывает конец указанного цилиндра, причем указанный способ включает: введение газового топлива в камеру сгорания в виде распыленных струй топлива, подаваемых в камеру сгорания от клапана инжекции топлива, установленного внутри камеры сгорания; ориентирование одной из указанных струй топлива, именуемой инициирующей струей топлива, в направлении точки прихода струи топлива, находящейся на поверхности стакана, который окружает воспламенитель таким образом, что когда инициирующая струя топлива истекает из соответствующего ей окна инжекции топлива, существенная часть газового топлива течет в направлении точки прихода струи топлива, причем часть газового топлива, содержащегося в инициирующей струе топлива, проходит через впускное отверстие, выполненное в стакане, и смешивается с воздухом в экранированном пространстве, сформированном между горячей поверхностью нагреваемого компонента воспламенителя и стаканом, с образованием вблизи воспламенителя горючей газовоздушной топливной смеси, при этом у указанного нагреваемого компонента имеется конец, отстоящий от оси впускного отверстия не более чем на 3 мм; воспламенение горючей газовоздушной топливной смеси путем нагрева поверхности воспламенителя до температуры, которая вызывает воспламенение горючей газовоздушной топливной смеси; и создание ограничений для потока между камерой сгорания и экранированным пространством и удерживание существенной части горючей газовоздушной топливной смеси в экранированном пространстве до тех пор, пока горение указанной смеси не приведет к возрастанию давления внутри экранированного пространства до уровня, при котором горящая газовоздушная топливная смесь будет выбрасываться из указанного пространства через, по меньшей мере, одно выпускное отверстие и вступать в контакт со струями топлива в зоне камеры сгорания, окружающей клапан инжекции топлива.

28. Способ по п.27, отличающийся тем, что инициирующая струя топлива ориентирована в направлении, составляющем угол, не превышающий 25°, с осью, перпендикулярной плоскости, которая является касательной к стакану в точке прихода струи топлива.

29. Способ по п.28, отличающийся тем, что направление указанной струи, по существу, перпендикулярно к указанной плоскости, которая является касательной к поверхности стакана в точке прихода струи топлива.

30. Способ по п.27, отличающийся тем, что расстояние между выпускным отверстием и точкой прихода струи топлива выбирают превышающим расстояние между впускным отверстием и точкой прихода струи топлива и достаточно большим для того, чтобы влияние струи топлива, направленной в точку прихода струи топлива, не воспрепятствовало вступлению горящей газовоздушной топливной смеси в контакт со струями топлива в зоне, окружающей клапан инжекции топлива.

31. Способ по п.27, отличающийся тем, что дополнительно включает инжектирование газового топлива в камеру сгорания при первом значении массового расхода, когда двигатель работает при малых нагрузках или в холостом режиме, и инжектирование газового топлива в камеру сгорания при втором значении массового расхода, когда двигатель работает при больших нагрузках, причем указанное значение второго массового расхода больше, чем указанное значение первого массового расхода.

32. Способ по п.27, отличающийся тем, что дополнительно включает управление массовым расходом для инжектирования желаемого количества газового топлива в камеру сгорания, причем длительность акта инжекции выбирают большей, чем длительность задержки зажигания при воспламенении газового топлива, которое было инжектировано в направлении устройства зажигания в начале акта инжекции.

33. Способ по п.27, отличающийся тем, что дополнительно включает управление моментом начала акта инжекции и его длительностью в зависимости от измеренных параметров работы двигателя и с обращением к электронной карте двигателя.

34. Способ по п.33, отличающийся тем, что дополнительно включает управление клапаном инжекции топлива для регулирования массового расхода газового топлива, которое подается во время акта инжекции, путем выполнения следующих операций: обращения к электронной карте двигателя и определения общего количества газового топлива, подлежащего подаче во время акта инжекции для установленной нагрузки на двигатель; выбора, во время первой стадии акта инжекции, первого массового расхода, который обеспечит образование в экранированном пространстве указанной горючей смеси; и выбора, во время второй стадии акта инжекции, второго массового расхода, который увеличит количество газового топлива относительно его количества, поданного во время первой стадии, для обеспечения подачи заданного общего количества газового топлива в течение указанного акта инжекции.

35. Способ по п.34, отличающийся тем, что указанную первую стадию начинают, по меньшей мере, за 2 мс до начала второй стадии, при этом вторую стадию начинают в момент, соответствующий углу поворота коленвала в интервале 5°-34° перед верхней мертвой точкой в фазе сжатия.

36. Способ по п.27, отличающийся тем, что включает подачу газового топлива в камеру сгорания в виде нескольких актов инжекции на протяжении одного рабочего цикла двигателя, при этом первый акт инжекции используют для подачи в камеру сгорания первого количества газового топлива, воспламеняемого устройством зажигания, а вслед за первым актом инжекции осуществляют, по меньшей мере, еще один акт инжекции для подачи второго количества газового топлива, причем первое и второе количества топлива в сумме соответствуют количеству топлива, определенного контроллером двигателя при обращении к электронной карте двигателя, тогда как первое количество топлива определяют посредством указанного контроллера как количество, которого достаточно для гарантированного воспламенения второго количества топлива.

37. Способ по п.36, отличающийся тем, что первое количество газового топлива не превышает по массе 10% указанного общего количества топлива, когда двигатель работает с полной нагрузкой, а указанное второе количество газового топлива распределяют между несколькими актами инжекции топлива.

38. Способ по п.36, отличающийся тем, что указанный второй акт инжекции начинают в момент, соответствующий углу поворота коленвала в интервале 5°-34° перед верхней мертвой точкой в фазе сжатия.

39. Способ по п.36, отличающийся тем, что длительность первого акта инжекции составляет 0,2-0,5 мс, а второй акт инжекции начинают через 0,2-1 мс после завершения первого акта инжекции.

40. Способ по п.27, отличающийся тем, что дополнительно включает электрический нагрев воспламенителя с обеспечением температуры его поверхности, достаточно высокой, чтобы воспламенить горючую газовоздушную топливную смесь.

41. Способ по п.40, отличающийся тем, что включает управление температурой воспламенителя в зависимости от измеренного значения параметра работы двигателя.

42. Способ по п.27, отличающийся тем, что указанные впускное и выпускное отверстие являются соответственно одним из впускных и одним из выпускных отверстий, при этом все впускные отверстия расположены эквидистантно относительно точки прихода струи топлива, а размеры выпускных отверстий определяются суммарной площадью проходного сечения, необходимой для обеспечения требуемого потока через указанные выходные окна в процессе работы двигателя в условиях полной нагрузки.

43. Способ по п.27, отличающийся тем, что дополнительно включает установку клапана инжекции топлива вдоль оси камеры сгорания.

44. Способ по п.27, отличающийся тем, что дополнительно включает подачу в систему забора воздуха части выхлопных газов двигателя.

45. Способ по п.44, отличающийся тем, что дополнительно включает управление объемом и охлаждение указанной части выхлопных газов, которую подают в систему забора воздуха, в зависимости от измеренных параметров работы двигателя.

46. Способ по п.27, отличающийся тем, что рабочий цикл двигателя осуществляют без дросселирования подаваемого потока воздуха и при выборе коэффициента λ избытка воздуха в интервале 1,4-6.