Система подачи газа - RU2104406C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно к двигателю с искровым зажиганием, работающему на газовом топливе.

Это может быть двигатель с искровым зажиганием или дизельный двигатель с воспламенением топливной смеси от сжатия. В другом аспекте изобретение относится к двигателю с двойным топливом, работающему как двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. В таком двигателе, работающем в режиме двойного топлива, газовое топливо обычно смешивается с воздухом перед подачей в двигатель, что снижает количество впрыскиваемого дизельного топлива. В данном описании термин "двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия" предполагает не только двигатель, работающий при постоянном давлении, то есть с циклом дизеля, но и двигатель, работающий с циклом воспламенения от сжатия.

Известны устройства, в которых при работе двигателя ввод газового топлива с воздухом в цилиндры происходит в течение такта впуска, что приводит к относительно однородной смеси газа и воздуха в течение такта сгорания. Полезно уменьшать отношение топлива к воздуху до минимального значения при сгорании газа как топлива, поскольку это снижает содержание окиси углерода и углеводорода в выхлопных газах и повышает эффективность топлива. Если это отношение уменьшено достаточно ниже стехиометрического значения, можно достичь значительного сокращения содержания закиси азота в выхлопных газах. Это обычно называется режимом "скудного сгорания". (См. пат. США 4903656, кл. F 02 M 31/00, 1990). На существующих газовых двигателях достижение режима "скудного сгорания" происходит, когда среднее отношение топлива к воздуху понижается до того уровня, когда плотность топлива такова, что воспламенение смеси не происходит и двигатель глохнет.

Задачей изобретения является разработка способа подачи газа и системы подачи газа в двигатель внутреннего сгорания, работающего на газовом топливе, где отношение топливо/воздух может быть сведено до минимума с устойчивым зажиганием смеси.

Решение технической задачи обеспечивается тем, что система подачи газа в двигатель внутреннего сгорания, работающий на газовом топливе, включает в себя:
устройство подачи газового топлива с контролем количества подаваемого газового топлива в область, расположенную рядом с источником зажигания, причем эта область содержит зону предкамерного горения, находящуюся в отдельной предкамере, которая размещается в непосредственной близости от указанного источника зажигания и которая непосредственно связана через отверстие с камерой сгорания, находящейся в цилиндре двигателя, причем указанное устройство подачи газового топлива содержит первый и второй каналы подачи газа для подачи контролируемого количества газового топлива в зону предкамерного горения и в камеру сгорания соответственно от общего инжектора газа, при этом она содержит средство управления потоком газа для управления относительными пропорциями газового топлива, подаваемого указанными первым и вторым средствами подачи, соответственно, причем при работе двигателя сгорание топлива в камере сгорания происходит с минимальным количеством газового топлива путем инициирования зажигания газового топлива в указанной зоне предкамерного горения.

В этом описании зона предкамерного горения это та зона, внутри которой желательно инициировать процесс сгорания, а камера сгорания это та зона, в которой происходит процесс сгорания смеси от воздействия зажигания газового топлива в зоне предкамерного горения для достижения сгорания остающегося газового топлива.

Указанное средство управления потоком газа содержит клапан газового потока для управления количеством газового топлива, подаваемого в зону предкамерного горения или/и в камеру сгорания. Этот клапан газового потока может быть однонаправленным клапаном для управления количеством газового топлива, подаваемого по первому каналу подачи газа в указанную предкамеру.

Обычно относительные пропорции газового топлива, подаваемого первым и вторым средствами подачи, фиксированы для конкретного двигателя. Относительная пропорция газового топлива, подаваемого первым средством подачи, может находиться в диапазоне 1-10% от общего количества газового топлива, подаваемого в указанную область средством подачи газового топлива.

В одном варианте средство управления потоком газа имеет первый выход, обеспечивающий подачу газового топлива с заранее определенной скоростью в зону предкамерного горения или/и в камеру сгорания в соответствии с, как минимум, одним рабочим параметром. Средство управления потоком газа может иметь второй вход и посредством сигнала, полученного от сигнала обратной связи, указывающего количество газового топлива, впрыскиваемого в зону предкамерного горения и камеру сгорания, способно постоянно регулировать подачу газового топлива, реагируя на этот сигнал посредством первого входа.

В одном варианте устройство подачи газового топлива содержит клапаны для непрерывного потока, а средство управления потоком газа управляет пропорцией газового топлива, подаваемого в зону предкамерного горения и в камеру сгорания, так же, как и общим количеством газа, подаваемого в течение какого-то времени в двигатель. В другом варианте средство подачи газового топлива содержит клапаны, обеспечивающие постепенное нарастание потока.

В отношении упомянутых вариантов реализации один рабочий параметр работы двигателя может включать в себя параметр скорости работы двигателя или параметр положения управления скоростью потока смеси в двигателе (дросселя), как таковой или в комбинации со скоростью работы двигателя. Другими возможными примерами, как минимум, одного рабочего параметра двигателя являются (в отдельности или в сочетании с любым одним или несколькими следующими параметрами): температура подаваемого воздуха, давление подаваемого воздуха, температура подаваемого газа, давление подаваемого газа, фаза работы двигателя, определение динамического режима двигателя, напряжение батареи.

В одном варианте реализации сигнал обратной связи получается при непосредственном или косвенном измерении содержимого выхлопных газов двигателя для определения присутствия окиси углерода, углеводорода, закиси азота и других нежелательных выбросов. Одно из таких измерений может осуществляться с помощью широко распространенного лямбда-датчика, который отслеживает содержание кислорода в потоке выхлопных газов. В другой реализации вместо измерения содержимого выхлопных газов сигнал обратной связи получается при измерении, непосредственном или косвенном, параметра начала пропускания двигателем зажигания смеси. Таким образом, можно определить оптимальное управление относительными пропорциями и количеством потока газового топлива, подаваемого в зону предкамерного горения и в камеру сгорания, что в сочетании с испытаниями на испытательном стенде дает хорошее зажигание при минимальном количестве газового топлива. После начальной калибровки нет необходимости повторно калибровать двигатель. При использовании двигателя можно изменять количество газового топлива, подаваемого в двигатель системой подачи газа. При наличии описанного сигнала обратной связи можно быть уверенным, что количество топлива, подаваемого для данных условий работы двигателя, оптимизировано.

Согласно другому аспекту изобретения имеется способ подачи газа в двигатель внутреннего сгорания, работающий на газовом топливе, который включает в себя:
подачу контролируемого количества газового топлива в область, примыкающую к источнику зажигания, причем эта область содержит зону предкамерного горения и камеру сгорания, которые связаны друг с другом;
управление относительными пропорциями газового топлива, соответственно, подаваемого в зону предкамерного горения и в камеру сгорания, причем при работе воспламенение в камере сгорания может достигаться при минимальном количестве газового топлива путем инициирования зажигания газового топлива в зоне предкамерного горения.

Способ включает в себя также подачу контролируемого количества воздуха в камеру сгорания для поддержания минимального соотношения количества воздуха и топлива в камере сгорания, причем некоторая часть смеси воздух/топливо в этой камере сгорания передается зоне предкамерного горения в течение инициирования зажигания газового топлива в зоне предкамерного горения.

При этом способ также включает в себя режим управления общим объемом газового топлива, подаваемого в двигатель в течение заданного периода времени.

На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема одного варианта системы подачи газа; на фиг. 2 - схематически устройство для второго варианта реализации системы подачи газа; на фиг. 3 - разрез головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, показывающий вариант реализации системы подачи газа, аналогичный представленному на фиг.2.

Система подачи газа для двигателя внутреннего сгорания (на чертежах не показан), работающего на газовом топливе, содержит средство подачи 10 газового топлива (см. фиг. 1) для подачи контролируемого количества газового топлива в область, примыкающую к источнику зажигания в двигателе. Эта область двигателя содержит зону 12 предкамерного горения и камеру сгорания 14, которые сообщаются друг с другом. Средство подачи 10 газового топлива содержит первое средство подачи 16 и второе средство подачи 18 для подачи газового топлива в зону 12 предкамерного горения и в камеру сгорания 14, соответственно, и кроме того содержит средства управления 20, 22 потоком газа для управления относительными пропорциями газового топлива, подаваемого первым и вторым средствами подачи 16, 18, соответственно. Первое и второе средства подачи 16, 18 подают газовое топливо от источника 24 снабжения газом и могут иметь, например, вид каналов. Средство управления 20 потоком газа для предкамерного горения и средство управления 22 потоком газа для сгорания могут иметь, например, вид инжекторов газового топлива.

В этом варианте в зоне 12 предкамерного горения размещается источник зажигания 26, который может представлять собой, например, свечу зажигания и облегчает зажигание газового топлива в зоне 12 предкамерного горения. Источник зажигания 26 управляется средством управления зажиганием 28.

Воздух подается в камеру сгорания 14 от источника 30 снабжения воздухом через средство подачи 32 воздуха и средство управления 34 потоком воздуха для сгорания. В этом варианте воздух не подается непосредственно в зону 12 предкамерного горения. Средство управления 34 потоком воздуха для сгорания управляет количеством, температурой и давлением воздуха для сгорания до его подачи в камеру сгорания 14 через средство подачи 36 воздуха для сгорания, которое обычно является патрубком двигателя и системой впускного клапана. Продукты сгорания выходят из двигателя из его камеры сгорания 14 через выхлопную систему 38, которая обычно имеет выпускные клапаны и систему патрубков, соединенные со средством удаления 40 выхлопных газов. Анализатор 42 выхлопных газов формирует сигнал, который передается через средство подачи 44 сигнала к системе управления двигателем СУД 46.

СУД 46 обеспечивает общее управление работой двигателя, отслеживает и контролирует работу средства управления 20 потоком газа для предкамерного горения, средства управления зажиганием 28, средства управления 22 потоком газа для сгорания и средства управления 34 потоком воздуха для сгорания через средства подачи сигнала 48, 50, 52, и 54, соответственно. Средства подачи сигнала 44, 48, 50, 52 и 54 могут иметь, например, вид электрических кабелей, оптических волокон или любой другой подходящей среды для передачи сигнала. СУД 46 может также отслеживать или/и контролировать управление другими рабочими параметрами двигателя, такими как скорость двигателя, положение дросселя, фаза работы двигателя, динамическая нагрузка на двигатель и напряжение батареи. Каждый из этих рабочих параметров может иметь некоторое влияние на конечное управление описанной системы подачи газа, однако они были опущены на фиг. 1. Анализатор 42 выхлопных газов формирует сигнал обратной связи для СУД 46, который получается из непосредственного или косвенного измерения содержимого выхлопных газов двигателя с определением присутствия окиси углерода, углеводорода, закиси азота или других нежелательных элементов в выхлопных газах. Такие выхлопы указывают на размеры и степень сгорания газового топлива, происходящего внутри двигателя, и могут использоваться СУД 46 для регулирования относительных пропорций газового топлива, подаваемого в зону 12 предкамерного горения или/и камеру сгорания 14, или же общего количества газа, подаваемого в двигатель в течение какого-либо периода времени.

Как отмечалось выше, воздух для сгорания подается непосредственно в камеру сгорания 14 двигателя, однако только в течение такта сжатия некоторое количество воздуха вытесняется из камеры сгорания 14 в зону 12 предкамерного горения через средство 56 подачи воздуха для предкамерного горения. На практике зона 12 предкамерного горения может размещаться в отдельной предкамере, которая напрямую сообщается через отверстие с цилиндром двигателя, причем камера сгорания 14 размещается в цилиндре выше поршня. При работе двигателя источник зажигания 26 используется для инициирования зажигания газового топлива в зоне 12 предкамерного горения, где имеется относительно высокое отношение топлива к воздуху. На самом деле отношение топлива к воздуху в зоне предкамерного горения выбирается таким, чтобы обеспечивалось надежное воспламенение газового топлива. Путь прохождения газов, получающихся в результате сжигания газового топлива в зоне 12 предкамерного горения, в камеру сгорания 14 показан на фиг. 1 позицией 58, и в реальных условиях на двигателе проходит через то же самое отверстие между предкамерой и цилиндром двигателя. Объем зоны 12 предкамерного горения выбран таким, чтобы обеспечить достаточную химическую реакцию по пути 58 следования полученных газов из зоны 12 предкамерного горения в камеру сгорания 14 и вызвать воспламенение обедненной топливной смеси в камере сгорания 14. Таким образом можно достичь сгорания смеси в камере сгорания 14 с минимальным количеством газового топлива путем инициирования зажигания газового топлива в зоне 12 предкамерного горения.

В части устройства система подачи газа (см. фиг. 2) содержит средство подачи 60 контролируемого количества газового топлива в область, примыкающую к источнику 62 зажигания, например, к свече зажигания двигателя. На фиг. 2 показан только цилиндр 64 двигателя и поршень 66, находящийся близко к верхней точке на такте сжатия. Область, примыкающая к источнику зажигания 62, содержит зону 68 предкамерного горения, расположенную внутри предкамеры 70, и камеру сгорания 72, расположенную внутри цилиндра 64 над его поршнем 66. Предкамера 70 связана напрямую через отверстие 74 с цилиндром 64. Средство подачи 60 газового топлива содержит первый канал 78 и второй канал 78 для подачи газового топлива в зону 68 предкамерного горения и в камеру сгорания 72, соответственно. Газовое топливо подается в каналы 76, 78 подачи газа от инжектора 80 газа, приводимого в действие одним соленоидом.

Средство подачи 60 газового топлива, кроме того, содержит средство управления потоком газа, выполненное в виде клапана 82 потока газа для управления относительными пропорциями газового топлива, подаваемого по каналам 76, 78. Конструкция клапана 82 потока газа представляет из себя невозвратный или однонаправленный клапан, который открывается, когда давление внутри предкамеры 70 ниже, чем давление внутри канала 76 подачи газа, и он закрывается, когда давление внутри предкамеры 70 превышает давление внутри канала 76 подачи газа. Поэтому при опускании поршня 66 клапан 82 открывается и обеспечивает впрыск газового топлива из канала 76 подачи в предкамеру 70, однако при такте сжатия, когда поршень 66 поднимается, однонаправленный клапан 82 закрывается, отсекая поток газового топлива в предкамеру 70. Клапан 82 также изолирует канал 76 подачи газа от отработанных газов, получаемых в результате сгорания в зоне 68 предкамерного горения и камере сгорания 72.

Относительные пропорции газового топлива, подаваемого в зону 68 предкамерного горения и камеру сгорания 72, регулируются размерами отверстия, имеющегося в клапане 82 в его открытом состоянии. Размер отверстия в однонаправленном клапане 82 выбирается таким, чтобы 1-10% газового топлива, подаваемого от инжектора 80 газа, проходило через канал 76 подачи газа в зону 68 предкамерного горения, а остальное газовое топливо подается через канал 78 подачи газа в камеру сгорания 72, расположенную внутри цилиндра 64. Газ подается в камеру сгорания 72 через систему патрубков двигателя и впускного клапана. В данном варианте клапан 82 выбирается таким, чтобы 4% газового топлива поступало в зону предкамерного горения 68 от общего инжектора 80. Точные относительные пропорции газового топлива, подаваемого в зону 68 предкамерного горения и в камеру сгорания 72, зависят от рабочих характеристик конкретного двигателя. Из приведенного описания очевидно, что относительные пропорции газового топлива, подаваемого первым и вторым каналами 76, 78 подачи газа, фиксированы для этого конкретного двигателя и определяются размерами отверстия в однонаправленном клапане 82.

Однако можно сконструировать устройство с таким средством подачи 60 газового топлива, которое позволяет изменять подачу относительных пропорций газового топлива в каналы 76, 78 от отдельных инжекторов газа. Количество газового топлива, подаваемого инжекторами газа в соответствующие каналы 76, 78 затем можно изменять, например, под управлением системы управления двигателем.

Относительные пропорции газового топлива, подаваемого в предкамеру и в цилиндр для конкретного двигателя, определяется следующим образом. В одном варианте реализуется способ подачи газового топлива с использованием природного газа. Природный газ состоит в основном из метана и имеет стехиометрическое отношение газ/воздух, равное 0,95 (9,5%). Отношение газ/воздух в предкамере (ПК) обеспечивает зажигание от свечи в диапазоне приблизительно 6,0-15,0%, однако наиболее надежное зажигание достигается при почти стехиометрических условиях.

Существуют много переменных, позволяющих обеспечить определение необходимого количества газа, который нужно ввести в ПК. Для того, чтобы облегчить определение некоторые переменные фиксировались, рассчитывалось результирующее количество отношения газ/воздух в ПК как функции угла опережения искры, а также определялся общий объем инжектированного количества как объемный процент общего объема цилиндра.

Степень сжатия фиксируется на значении, определенном исходя из соображений механики и термодинамики, применимых к конкретному двигателю, в связи с его желаемой выходной мощностью и с качеством газа.

Для уменьшения локальных тепловых потерь ПК предпочтительно малое отношение ПК/ОК (основная камера), однако переменный характер управления течением газа в ПК будет обусловлен практическим пределом. Уровень объема газ/цилиндр зависит от максимального абсолютного давления наддува, степени сжатия и требований к выходной мощности двигателя.

Применимы следующие определения и формула, где:
PCVFRM - доля объема предкамеры - доля объема мертвого пространства, занимаемого ПК.

PCGFRN - доля газа предкамеры - доля газа, инжектированного в ПК.

CR - степень сжатия, равная сумме объема мертвого пространства и рабочего объема цилиндра (100).

Объем мертвого пространства.

CV - объем мертвого пространства равен рабочему объему цилиндра (100).

Степень сжатия - 1
GV - объем газа, инжектированного одним инжектором.

PCGV - объем газа, инжектированного в предкамеру, равен GV х PCGFRN.

PCV - объем предкамеры равен CV х PCVFRN.

MCGV - объем газа основной камеры (или цилиндра) равен GV - PCGV.

MCAV - объем воздуха основной камеры равен 100 - MCGV.

MCGP - газовое отношение (фактор) основной камеры равен MCGV/MCAV.

THETA - угол опережения искры (0-1,57 радиан).

CR1 - степень мгновенного сжатия, которая определяется по формуле:

Работа системы подачи газа, показанная на фиг. 2, аналогична работе системы, показанной на фиг. 1. В течение такта впуска смесь газового топлива и воздуха подается в камеру сгорания 72 и одновременно только газовое топливо подается в зону 68 предкамерного горения через клапан 82. В течение такта сжатия некоторая часть смеси воздуха с топливом поршнем 66 вытесняется из камеры 72 сгорания и переходит в предкамеру 70 через отверстие 74. На этом этапе однонаправленный клапан 82 закрыт. Благодаря относительно большому отношению топлива к воздуху в зоне 68 предкамерного горения источником зажигания 62 (свечой) можно легко воспламенить смесь, при этом горение через отверстие 74 из зоны 68 предкамерного горения перемешается в камеру сгорания 72 и зажигает в ней обедненную смесь. Эта работа двигателя внутреннего сгорания происходит в режиме "скудного" сгорания без опасности пропуска двигателем зажигания. На фиг. 3 в разрезе изображена головка 84 блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия с искровым зажиганием и содержит вариант реализации системы подачи газа, аналогичный представленной на фиг. 2. Кожух 86 зафиксирован внутри расточенного отверстия 88, имеющегося в головке 84 блока цилиндров так, что охлаждающая вода 89, циркулирующая внутри головки блока цилиндров, охлаждает и кожух 86. Кожух 86 содержит в себе предкамеру 90 и изготовлен из материала с высокой теплопроводностью, обеспечивающего передачу части тепла, выделяемого внутри предкамеры 90, через стенки к охлаждающей воде 89. Предкамера 90 содержит в себе зону 92 предкамерного горения и напрямую сообщается с цилиндром 94 двигателя, в котором размещается камера сгорания 96.

В кожухе 86 также расположены источник зажигания 98 (свеча зажигания) и однонаправленный клапан 100. Газовое топливо подается к клапану 100 по каналу 102 подачи газа, аналогичному тому, что представлен на фиг. 2.

Работа системы подачи газа (см. фиг. 3) аналогична работе этой системы, показанной на фиг. 2, и не будет описываться подробно. Однонаправленный клапан 100 управляет относительными пропорциями газового топлива, подаваемого в зону 92 предкамерного горения и в камеру сгорания 96 по соответствующим каналам подачи газа от общего инжектора газа (не показан). Процесс воспламенения осуществляется свечой 98, расположенной в зоне 92 предкамерного горения и направляется через отверстие 93 к камере сгорания 96 для сгорания остающегося газового топлива.

Очевидно, что конструктивное выполнение устройства предкамеры 90 внутри цилиндра в головке 84 блока цилиндров двигателя может быть различным в разных типах двигателей и значительно отличаться от того, которое показано на фиг. 3, но только не за счет преобразования самого двигателя внутреннего сгорания, имеющего воспламенение от сжатия в двигатель внутреннего сгорания, работающий на газовом топливе с искровым зажиганием, или в двигатель, работающий на двойном топливе. В двигателе, работающем на двойном топливе, данная система подачи газа может также использоваться для подачи в двигатель вспомогательного топлива.

Из описания ясно, что система подачи газа обладает значительными преимуществами перед системами известных типов, которые используют газовый карбюратор для подачи соответствующей смеси воздух/топливо в двигатель. Относительными пропорциями газового топлива, подаваемого в зону предкамерного горения и в камеру сгорания, можно управлять с такой точностью, что сгорание топлива в камере сгорания будет с минимальным количеством газового топлива без опасности пропуска двигателем зажигания. Воспламенение в зоне предкамерного горения создает фронт пламени и молекулы радикалов, легко и быстро зажгет относительно обедненную смесь в камере сгорания, что приводит к высокой эффективности работы двигателя, т.е. к полному сгоранию вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) поршня и к более низким потерям из-за диссоциации и термических особенностей, которые быстро возрастают при увеличении максимальной температуры цикла. Кроме того, можно снизить выбросы окиси углерода, углеводородов и закисей азота благодаря общему более обедненному составу топливной смеси в процессе сгорания. Простота и элегантность системы подачи топлива позволяет легко смонтировать ее в традиционный двигатель или/и преобразовать традиционный двигатель в двигатель, работающий на газовом топливе.

Более того, поскольку подробно были описаны предпочтительные варианты реализации системы подачи газа, для специалистов-механиков будет очевидно, что не исключена возможность производства многочисленных модификаций и вариантов двигателей с использованием основной концепции данного изобретения. Например, относительные пропорции газового топлива, подаваемого в зону предкамерного горения и в камеру сгорания могут соответственно определяться по относительным диаметрам соответствующих каналов подачи газа. Все такие варианты и модификации должны рассматриваться в рамках изобретения.

Реферат

Использование: двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием, работающие на газовом топливе. Сущность изобретения: система подачи газа в двигатель внутреннего сгорания, работающий на газовом топливе, включает в себя устройство подачи газового топлива с контролем количества подаваемого газового топлива в область, расположенную рядом с источником зажигания, причем эта область содержит зону предкамерного горения, находящуюся в отдельной предкамере, которая размещается в непосредственной близости от указанного источника зажигания и которая непосредственно связана через отверстие с камерой сгорания, находящейся в цилиндре двигателя. Устройство подачи газового топлива содержит первый и второй каналы подачи газа для подачи контролируемого количества газового топлива в зону предкамерного горения и в камеру сгорания, соответственно, от общего инжектора газа, при этом она содержит средство управления потоком газа для управления относительными пропорциями газового топлива, подаваемого указанными первым и вторым средствами подачи, соответственно. При работе двигателя сгорание топлива в камере сгорания происходит с минимальным количеством газового топлива путем инициирования зажигания газового топлива в указанной зоне предкамерного горения. 5 з. п. ф-лы, 3 ил.

Формула