двигатель внутреннего сгорания с впрыском газообразного топлива

Формула изобретения

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 3 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 каталитическое 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% от 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 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:

обращение к электронной карте двигателя и определение общего количества газового топлива, подлежащего подаче во время акта инжекции для установленной нагрузки на двигатель;

выбор, во время первой стадии акта инжекции, первого массового расхода, который обеспечит образование в экранированном пространстве указанной горючей смеси; и

выбор, 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% от 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 отверстия 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 избытка воздуха в интервале 1,4-6.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к двигателю и к способу осуществления рабочего цикла в двигателе внутреннего сгорания на газовом (газообразном) топливе. Двигатель содержит инжекционный наконечник, установленный в камере сгорания для подачи газового топлива непосредственно в эту камеру. Устройство зажигания, также установленное внутри камеры сгорания, расположено в непосредственной близости от указанного наконечника. Устройство зажигания содержит стакан, который формирует экранированное пространство вокруг горячей поверхности воспламенителя.

Уровень техники

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на жидком топливе, использовались для генерирования энергии и в качестве моторов различных машин в течение более чем столетнего периода. За этот период двигатели внутреннего сгорания подверглись многочисленным усовершенствованиям, направленным на то, чтобы сделать их более эффективными, более мощными и менее загрязняющими окружающее пространство. Чтобы способствовать этим усовершенствованиям, были улучшены также свойства и качество топлива. Кроме того, с целью снижения вредных выбросов было исследовано и использование альтернативных топлив, таких как метанол и другие топлива на основе спирта. Однако эквивалентные (в энергетическом отношении) количества газовых (газообразных) топлив, таких как метан, водород, природный газ и их смеси, способны произвести при сжигании такое же количество энергии при меньшем объеме вредных выбросов (в форме твердых частиц и парниковых газов), чем названные жидкие топлива.

Вместе с тем замена жидкого топлива на подобные газовые топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания создает проблему, обусловленную тем, что зажигание данных газовых топлив, как правило, осуществить труднее, чем жидких. Существует также множество других отличий, проявляющихся при замещении жидкого топлива газовым. Например, в связи с более длительной задержкой зажигания, ассоциируемой с газовым топливом, может измениться стратегия сжигания топлива. Кроме того, может потребоваться более длительное время для инжектирования газового топлива в двигатель. В дополнение, система подачи топлива и способ впрыска (инжекции) топлива в двигатель, как правило, требуют применения устройств, специализированных для работы с газовым топливом. Кроме того, выбранная стратегия сжигания топлива может диктовать другую геометрию камеры сгорания. Как следствие, конструкция, рассчитанная для двигателя на жидком топливе, может оказаться непригодной для двигателя на газовом топливе без существенных модификаций, которые могут ухудшить коммерческую привлекательность двигателя.

Двигатели на газовом топливе, которые в настоящее время применяются в серийных автомобилях, работают по циклу Отто с формированием однородных топливных смесей, с искровым зажиганием и с управлением дроссельной заслонкой. С учетом требований по мощности и крутящему моменту подобные двигатели в подавляющем большинстве представляют собой модифицированные двигатели, работающие по дизельному циклу. При этом процесс формирования топливной смеси, представляющий модификацию соответствующего процесса для двигателей с дизельным циклом, как и использование искрового зажигания, - это аспекты, которые требуют соответствующей модификации впускной системы и головки цилиндра. Модифицирование процесса сжигания топлива требует и внесения модификаций в конструкцию полости камеры сгорания. Изготовители двигателей обычно стремятся свести к минимуму количество компонентов двигателя, подлежащих изменению при переходе к работе на газовом топливе. Это соответствует попытке сократить, насколько это возможно, дополнительные производственные затраты при адаптации двигателей к применению газового топлива при сохранении износостойкости и длительного срока службы, к которому привыкли пользователи имеющихся в продаже транспортных средств, использующих двигатели на традиционном топливе.

Применительно к двигателям внутреннего сгорания на газовом топливе один из преобладающих процессов сгорания топлива происходит для стехиометрических смесей топливо-воздух в сочетании с трехкомпонентным каталитическим конвертером. Первоначально потребность в двигателях на газовом топливе для серийных автомобилей была основана на желании добиться хороших характеристик по выбросам, тогда как эффективность и потребление топлива рассматривались как второстепенные факторы. Получение топливовоздушной смеси в случае газового топлива обычно производится в смесителе, расположенном в центре системы впрыска топлива при электронном управлении подачей газового топлива. Более поздние системы подачи газового топлива перешли к многоточечному впрыску непосредственно перед впускным клапаном каждого цилиндра с целью достижения равномерного распределения топлива и поддержания стехиометрического состава смеси на нестационарных режимах работы двигателя. Для того чтобы обеспечивать стехиометрическую газовоздушную топливную смесь ( =1), может быть использована известная система управления соотношением топливо/воздух, применяемая на бензиновых двигателях. Степень сжатия обычно ограничивается значениями 11:1-11,5:1 для того, чтобы иметь некоторый запас в отношении сжатия с целью избежать детонации.

Характеристики двигателя с поддержанием стехиометрического соотношения не менее чем на 5% ниже, чем у аналогичных двигателей с дизельным циклом, работающих на жидком топливе. Это связано с уменьшением объема воздуха, всасываемого двигателем, что обусловлено вводом газового топлива во входной коллектор. По сравнению с двигателями с наддувом, работающими по дизельному циклу на жидком топливе, двигатели на газовом топливе, работающие по циклу Отто, обеспечивают на 15% меньшую мощность с учетом эффекта более высоких термических нагрузок, ассоциированных с двигателем, имеющим цикл Отто. Указанная потеря мощности учитывает, что использование рециркуляции выхлопных газов с коэффициентами рециркуляции до 15% может уменьшить термическую нагрузку. Единственный путь полностью скомпенсировать более низкие показатели двигателей с циклом Отто состоит в увеличении хода поршня.

Экономия топлива в двигателе на газовом топливе с поддержанием стехиометрического отношения характеризуется потреблением энергии, которое на 15-20% больше (по данным стационарных тестов), чем у сопоставимого дизельного двигателя. Было обнаружено также, что в условиях частой работы при малых нагрузках (что типично для городских автобусов), управление дроссельной заслонкой отвечает за повышение расхода топлива более чем на 40%.

Недостатки в отношении развиваемой мощности и экономии топлива двигателей на газовом топливе с поддержанием стехиометрического отношения по сравнению с современными двигателями на жидком топливе, работающими по дизельному циклу, могут быть существенно уменьшены за счет реализации принципов работы на бедных смесях. Формирование газовоздушной топливной смеси обычно происходит за турбонагнетателем, в смесителе топливо-воздух с электронным управлением, который занимает центральное положение в системе подачи топлива. Для обеспечения степени сжатия в пределах 11:1-11,5:1 двигатель, использующий бедную смесь, как правило, имеет геометрию камеры сгорания, аналогичную с камерами сгорания в случае поддержания стехиометрического отношения. Более бедная газовоздушная топливная смесь на основе природного газа приводит к быстрому замедлению скорости горения. Поэтому для того, чтобы скомпенсировать влияние увеличения продолжительности процесса горения с соответственно возрастающими выбросами углеводородов, необходима соответствующая настройка, например применение сквиш-эффекта. Значения коэффициента избытка воздуха в современных двигателях на бедных смесях не превышают =1,5 при высоких нагрузках на двигатель и соответственно более высоких скоростях горения. При низких нагрузках температура горения ниже и, как следствие, способность работать на бедных смесях снижается до в интервале 1,1-1,3.

Поскольку тепловые нагрузки на компоненты двигателей, работающих на бедных смесях, ниже, чем в двигателях на газовом топливе, работающих с поддержанием стехиометрического отношения, становится возможным существенно повысить давление наддува. В сочетании с охлаждением поступающего воздуха это позволяет достичь эффективных средних давлений порядка 1,4 МПа. Диапазон значений момента кручения в значительной мере соответствует его значениям для большого количества имеющихся в продаже двигателей на жидком топливе с дизельным циклом. Однако двигатели, работающие на бедных смесях, все же могут существенно уступать мощностным характеристикам, обеспечиваемым двигателями на жидком топливе с дизельным циклом типа Euro 3.

Поскольку возможность использования современных двигателей, работающих на бедных смесях, с еще более бедными смесями, особенно в диапазоне малых нагрузок, ограничена (в связи с низкими скоростями горения природного газа) значениями коэффициента в пределах 1,2-1,4, такие двигатели также требуют управления дроссельной заслонкой. Как следствие, расход топлива, определяемый тестом ЕСЕ R49 на выбросы, для некоторых конструкций двигателей более чем на 15% превышает значения сопоставимых показателей для двигателей на жидком топливе с дизельным циклом. Это приводит, например, к тому, что потребление топлива городским автобусом в течение обычного рабочего дня оказывается большим на 30%, поскольку значительную часть рабочего времени двигатель функционирует в режимах холостого хода или малой нагрузки.

Концепции двигателей, работающих на бедных смесях на основе природного газа, рассчитанные на соответствие новым нормам выброса Euro 4, вступающим в действие в 2005 г., будут характеризоваться дальнейшим усовершенствованием, направленным на расширение границ использования бедных смесей с целью снижения уровня выбросов NOx до значений менее 3,5 г/кВтч.

С этой целью ведется разработка процессов сжигания топлива, которые характеризуются более интенсивными перемещениями цилиндра при рабочем ходе с целью компенсации быстро убывающей скорости горения очень бедных смесей с соотношением воздух/топливо до 1,6 при работе в режиме, близком к максимальной нагрузке. Двигатели, работающие на бедных смесях подобного типа, применяют процессы горения, способные использовать бедные смеси, и снабжаются динамическим наддувом и воздушным охлаждением. Степень сжатия в зависимости от конструкции составляет 11,7:1-13:1. Ожидается, что в таких конструкциях уровень выбросов NOx по данным теста ЕСЕ R49 будет лежать в интервале 1,5-2 г/кВтч, что соответствует содержанию углеводородов до каталитического конвертера примерно на уровне 2,9 г/кВтч.

Благодаря повышенной степени сжатия и использованию бедной смеси при полной нагрузке максимальная эффективность двигателя может быть увеличена до 40%. Как следствие, оценки расхода топлива в тесте ЕСЕ R49 будут всего на 5-15% превышать соответствующие оценки будущих двигателей на жидком топливе с дизельным циклом, отвечающих нормам выброса Euro 4. В зависимости от конструкции турбонаддува значения среднего давления могут достигнуть максимальных эффективных значений, составляющих 1,4-1,8 МПа.

В дополнение к разработкам в области процессов с применением гомогенных бедных смесей, исследования последних лет были направлены на процессы с инжекцией (впрыском) газового топлива под большим давлением непосредственно в камеру сгорания двигателя, не использующего дроссельную заслонку. Такие двигатели могут использовать, по существу, такую же степень сжатия, что и двигатели на жидком топливе с дизельным циклом, поскольку в этом случае детонация не является проблемой. Степень сжатия в двигателях рассматриваемого типа может составлять 16:1-18:1. Преимущество такого подхода заключается в том, что он позволяет сочетать низкие уровни выбросов, достижимые в двигателе на газовом топливе, со значительно более высокими уровнями эффективности, которые обычно ассоциируются с двигателями на жидком топливе с дизельным циклом.

Патент США №5329908 описывает систему инжекции сжатого природного газа для двигателя на газовом топливе. Инжекционный наконечник функционирует таким образом, что в фазе зажигания газовое топливо распыляется в виде облака в полость камеры сгорания через кольцевое выпускное отверстие, формируемое на период процесса зажигания. В ходе этого процесса часть указанного облака вступает в контакт со свечой зажигания, так что происходит воспламенение газовоздушной топливной смеси в камере сгорания у свечи зажигания. В одном из описанных вариантов используется подача газа под постоянным давлением, а в качестве свечи зажигания служит обычная накальная свеча. Предложен блок подачи топлива, обеспечивающий возможность подачи газового топлива к клапану инжекции топлива под давлением, которое является достаточно высоким для того, чтобы можно было подать топливо в камеру сгорания, когда поршень близок к положению верхней мертвой точки.

Данный двигатель работает в высокоэффективном режиме, обеспечивающем эффективность, близкую к достигаемой в двигателях на жидком топливе с дизельным циклом. Однако обычные накальные свечи типа применяемых в дизельных двигателях рассчитаны на поддержку зажигания только в период запуска, поскольку дизельное топливо является самовоспламеняющимся при давлениях и температурах, обычно имеющих место в дизельном двигателе после того, как он перейдет в рабочий режим. Применительно же к газовому топливу типа природного газа, который не обладает такой способностью к самовоспламенению, как дизельное топливо, описанная схема может потребовать наличия свечи зажигания, которая постоянно поддерживает процесс зажигания, инициирующий горение топливной смеси. Постоянная активация обычной накальной свечи, рассчитанной на использование только в короткий период запуска, может привести к быстрому выходу свечи из строя. Эксперименты показали, что срок службы накальной свечи обычно сокращается по мере повышения ее рабочей температуры. По этой причине обычные накальные свечи не могут обеспечить длительный срок службы, на который вправе рассчитывать пользователи двигателей внутреннего сгорания на газовом топливе.

Патент США №4721081 описывает наружную оболочку накальной свечи, снабженную термобарьерным покрытием и катализатором зажигания. Такая конструкция направлена на увеличение срока службы накальной свечи, обеспечивающей зажигание топлива, которое не является самовоспламеняющимся. В обзоре уровня техники, приведенном в данном патенте, отмечается известность защитных трубчатых оболочек из металла или керамики, которые охватывают боковую поверхность накальной свечи по ее длине. Известен также вариант защиты накальной свечи из нитрида кремния путем ее покрытия оксидом тугоплавкого металла в сочетании с введением в накальную свечу катализатора горения, способствующего понижению температуры накальной свечи. Дополнительное усовершенствование, предложенное в данном патенте, состоит в выполнении указанной защитной оболочки с открытым скошенным концом, благодаря чему накальная свеча становится открытой в направлении инжектора топлива при наличии у нее прочного физического барьера в направлении впускных клапанов.

Указанный патент США №4721081 описывает также нанесение на внутреннюю и наружную поверхности защитной оболочки жаростойкого керамического материала (такого как оксид металла), который играет роль теплового барьера. В результате указанная оболочка ослабляет охлаждающее воздействие подаваемого газа на накальную свечу и сокращает потребность свечи в электроэнергии для поддержания температуры поверхности, приемлемой для обеспечения эффективного зажигания. Кроме того, согласно названному патенту с целью дополнительного снижения температуры нахальной свечи и увеличения срока ее службы в состав покрытия может быть введен катализатор горения.

Таким образом, существует потребность в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе, который по своим рабочим характеристикам, эффективности, надежности и сроку службы соответствовал бы аналогичным характеристикам эквивалентного двигателя на жидком топливе с дизельным циклом при сокращении объемов вредных выбросов, в частности твердых частиц и оксидов азота. Подобный двигатель способен сыграть важную роль в улучшении качества окружающего воздуха, особенно в местах с высокой плотностью населения, где в настоящее время очень широко применяются двигатели на жидком топливе с дизельным циклом и где довольно легко организовать снабжение газовым топливом, таким как природный газ.

Раскрытие изобретения

Согласно изобретению предлагаются способ и устройство, основанные на инжекции газового топлива в камеру сгорания двигателя, использующего высокую степень сжатия без применения дросселирования. В частности, в двигателе со степенью сжатия между 16:1 и 18:1 газовое топливо может быть инжектировано в конце фазы сжатия под высоким давлением, составляющим 20-30 МПа. При этом образуется негомогенная газовоздушная топливная смесь, аналогичная той, которая имеет место в дизельном двигателе. Чтобы инжектировать газовое топливо в камеру сгорания, используется высокоскоростной клапан инжекции газового топлива. Камера сгорания формируется цилиндром, поршнем, установленным в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения, и головкой цилиндра, которая закрывает конец цилиндра. В конкретных вариантах камера сгорания может частично задаваться полостью поршня или углублением, сформированным в головке поршня (которая соответствует торцевой поверхности поршня, обращенной к камере сгорания). При использовании способа по изобретению и работе при степени сжатия, по существу аналогичной этому параметру в эквивалентном дизельном двигателе, становится возможным сократить объем модификаций, необходимых для перехода к работе на природном газе. Становится возможным также уменьшить производственные затраты, поскольку камере сгорания можно придать форму, по существу соответствующую геометрии камер сгорания в обычных дизельных двигателях.

Вследствие недостаточной способности газового топлива, такого как природный газ, к надежному самовоспламенению в двигателе внутреннего сгорания, воспламенение газовоздушной топливной смеси обеспечивается в рамках способа по изобретению, включающего:

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, причем 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.

Поскольку согласно способу по изобретению топливо, находящееся в камере сгорания, воспламеняется от горящей газовоздушной топливной смеси, которая распространяется по камере сгорания, устраняется проблема гашения пламени в зонах, обедненных по содержанию топлива. Следовательно, отпадает необходимость контролировать значение с целью гарантировать достаточно полное сгорание. В отличие от предшествующих двигателей на газовом топливе, которые предусматривали дросселирование подаваемого воздуха, согласно способу по изобретению двигатель на газовом топливе способен работать таким же образом, что и обычный дизельный двигатель на жидком топливе, т.е. без дросселирования воздуха.

Соответственно при осуществлении предлагаемого способа двигатель может работать при значениях , выбираемых между 1,4 (в условиях высокой нагрузки) и 6 (холостой ход).

Согласно предпочтительным вариантам способа 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. При этом желательно, чтобы направление указанной струи было, по существу, перпендикулярно к указанной плоскости, которая является касательной к поверхности стакана в точке прихода струи топлива.

Далее, предпочтительный вариант способа по изобретению 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. При этом указанное значение второго массового расхода больше, чем указанное значение первого массового расхода.

Для того чтобы дополнительно повысить стабильность горения и эффективность двигателя, способ по изобретению может дополнительно включать управление массовым расходом для инжектирования желаемого количества газового топлива в камеру сгорания. В рамках такого управления длительность акта инжекции выбирают большей, чем длительность задержки зажигания при воспламенении газового топлива, которое было инжектировано в направлении устройства зажигания в начале акта инжекции. Согласно данному подходу длительностью акта инжекции управляют таким образом, чтобы горючая газовоздушная смесь формировалась вблизи клапана инжекции топлива, где ее может воспламенить горящая газовоздушная топливная смесь, истекающая из экранированного пространства, даже в условиях низкой нагрузки и холостого хода. Управление моментом начала акта инжекции и его длительностью предпочтительно осуществляют в зависимости от измеренных параметров работы двигателя и с обращением к электронной карте двигателя.

Кроме того, способ по изобретению может включать 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.

Согласно предпочтительному варианту указанную первую стадию начинают примерно за 2 мс до начала второй стадии. Кроме того, применительно к некоторым заранее определенным условиям работы двигателя, соответствующим увеличенной задержке зажигания (например, при запуске двигателя, когда температура камеры сгорания ниже, чем ее нормальная температура в процессе работы, или если температура воспламенителя установлена ниже обычного значения), первая стадия может начинаться с большим опережением второй стадии.

Вторая стадия может начинаться в момент, соответствующий углу поворота коленвала в интервале 5°-34° перед верхней мертвой точкой в фазе сжатия. Выбор момента начала второй стадии может определяться с учетом таких факторов, как желаемое количество топлива, подлежащего инжекции, или достижение желательной температуры горения.

Согласно предпочтительному варианту способа газовое топливо, которое вводится во время второй стадии, воспламеняется во время этой второй стадии. Другими словами, воспламенение поданного топлива происходит до завершения второй стадии инжекции.

Другой предпочтительный вариант способа включает подачу газового топлива в камеру сгорания в виде нескольких актов инжекции на протяжении одного рабочего цикла двигателя. Например, первый акт инжекции используют для подачи в камеру сгорания первого количества газового топлива, воспламеняемого устройством зажигания. Затем, вслед за первым актом инжекции осуществляют, по меньшей мере, еще один акт инжекции для подачи второго количества газового топлива.

При этом первое и второе количества топлива в сумме соответствуют количеству топлива, определенного контроллером двигателя при обращении к электронной карте двигателя. В частности, первое количество топлива может быть определено посредством контроллера как количество, которого достаточно для гарантированного воспламенения второго количества топлива. Момент начала первого акта инжекции предпочтительно задается желательным моментом воспламенения, а момент начала второго акта может выбираться из условий достижения желаемых характеристик горения.

Согласно примеру осуществления способа по изобретению во время первого акта инжекции в камеру сгорания подают для осуществления зажигания (воспламенения топлива) такое количество топлива, которое составляет по массе 5-10% общего количества топлива, требуемого в случае, когда двигатель работает с полной нагрузкой. Второй акт инжекции служит для того, чтобы инжектировать в камеру сгорания в дополнение к топливу, поданному для осуществления зажигания, основную часть топлива. При этом суммарное количество топлива должно соответствовать текущей нагрузке двигателя, определяемой контроллером двигателя посредством обращения к электронной карте двигателя. В данном примере два отдельных акта инжекции топлива могут быть согласованы во времени таким образом, чтобы обеспечить более интенсивное и, следовательно, более стабильное воспламенение газовоздушной топливной смеси без повышения температуры поверхности воспламенителя. Это условие является важным для уменьшения выбросов моноксида углерода и несгоревшего топлива. Кроме того, поскольку некоторое количество топлива подается во время первого акта инжекции, к моменту, когда начинается горение, объем воспламеняемой смеси оказывается уменьшенным. Это приводит к выделению меньшего количества тепла и, следовательно, к снижению уровня шума при горении.

Испытания двигателя показали, что когда в одном рабочем цикле используются два акта инжекции, хорошие результаты могут быть получены при условии, что длительность первого акта инжекции составляет 0,2-0,5 мс. При этом второй акт инжекции может начинаться в момент, соответствующий углу поворота коленвала в интервале 5°-34° перед верхней мертвой точкой в фазе сжатия.

Второй акт инжекции предпочтительно начинают не позднее, чем через 1 мс, и не ранее, чем через 0,2 мс после завершения первого акта инжекции. Благодаря этому горение топлива, поданного за время первого акта инжекции, способно воспламенить топливо, поданное во время второго акта инжекции.

Далее, способ по изобретению может включать разбиение основной инжектируемой части топлива на несколько актов инжекции, количество которых ограничивается только быстродействием привода клапана инжекции топлива. При таком подходе появляется возможность контролировать пространственное и временное распределение топливовоздушной смеси в камере сгорания. Такая возможность может быть особенно полезной для процесса сжигания топлива в целом, а также для процесса воспламенения на поверхности. Желательно, особенно в начале цикла горения, чтобы горящая топливовоздушная смесь, истекающая из устройства зажигания, быстро перемещалась в камеру сгорания. Далее в ходе процесса инжекции топлива увеличение объема и массы инжектируемого топлива в условиях стабильного горения делает возможным сокращение суммарной длительности горения. Такое сокращение является выгодным в плане достижения высокой тепловой эффективности.

Этот аспект способа по изобретению, который связан с использованием нескольких актов инжекции, может сочетаться с управлением массовым расходом и длительностью актов инжекции, что сделает процесс горения еще более управляемым.

Согласно предпочтительным вариантам предусматривается электрический нагрев воспламенителя с обеспечением температуры его поверхности, достаточно высокой, чтобы воспламенить горючую газовоздушную топливную смесь, которая образуется вблизи нагретой поверхности нагреваемого компонента воспламенителя. Еще одна особенность, которая может быть реализована в предлагаемом способе, состоит в управлении температурой воспламенителя с учетом условий работы двигателя.

Другими словами, способ по изобретению может включать управление температурой воспламенителя в зависимости от измеренного значения параметра работы двигателя. Например, если определено, что нагрузка является высокой, повышенная температура камеры сгорания может привести к передаче тепла воспламенителю и тем самым уменьшить его потребность в электрической энергии для нагрева. Уменьшение количества электрической энергии, которая в этом случае подается к воспламенителю, может привести к значительному увеличению срока его службы.

С другой стороны, при низких нагрузках на двигатель камера сгорания будет иметь соответственно пониженную температуру, причем при высоких скоростях в условиях малой нагрузки происходит возрастание теплоотдачи воспламенителя. Этот процесс может быть скомпенсирован за счет увеличения электрической мощности, подводимой к воспламенителю. Если такая компенсация не обеспечивается, может иметь место пропуск или увеличение задержки воспламенения, что, в свою очередь, приведет к снижению эффективности и к возрастанию выбросов несгоревшего топлива.

Может быть также предусмотрено нанесение, по меньшей мере, на часть воспламенителя и/или стакана покрытия, содержащего катализатор горения. Это позволит понизить температуру воспламенителя и соответственно увеличить срок его службы, а также уменьшить мощность, необходимую для нагрева воспламенителя. При этом данное каталитическое покрытие может быть нанесено как на стакан, так и на сам воспламенитель.

Для осуществления описанного способа в рамках настоящего изобретения предлагается двигатель внутреннего сгорания, способный работать на газовом топливе. Данный двигатель внутреннего сгорания содержит:

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 указанной 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 струй топлива вблизи клапана инжекции топлива;

причем конец нагреваемого компонента расположен на расстоянии не более 3 мм от оси впускного отверстия, а стакан ограничивает потоки 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.

В предпочтительных вариантах двигателя конец нагреваемого компонента расположен на расстоянии не более 1 мм от оси впускного отверстия.

Кроме того, в предпочтительном варианте инициирующая струя топлива ориентирована таким образом, что когда она истекает из соответствующего ей окна инжекции топлива, существенная часть указанной инициирующей струи топлива течет в виде струи в направлении, составляющем угол, не превышающий 25°, с осью, перпендикулярной плоскости, которая является касательной к стакану в точке прихода струи топлива. Благодаря тому что в процессе работы двигателя "существенная часть" инициирующей струи топлива распыливается в направлении, составляющем угол, не превышающий 25°, с осью, перпендикулярной плоскости, которая является касательной к стакану в точке прихода струи топлива, при каждом акте инжекции в экранированное пространство поступает такое количество топлива из инициирующей струи, которого достаточно для формирования горючей смеси, способной к воспламенению и выбрасыванию в виде горящей газовоздушной топливной смеси в камеру сгорания. Здесь эта горящая смесь воспламеняет горючую смесь, находящуюся в зоне, окружающей клапан инжекции топлива.

При этом более предпочтительным представляется выбрать такую ориентацию инициирующей струи топлива, чтобы она подавала существенную часть этой струи в направлении, по существу, перпендикулярном плоскости, которая является касательной к стакану в точке прихода данной струи. Поскольку струя топлива расходится по мере удаления от инжекционного наконечника клапана инжекции топлива, ось инициирующей струи топлива может быть ориентирована в направлении, которое не является строго перпендикулярным плоскости, касательной к стакану в точке прихода струи топлива. Тем не менее, существенная часть топлива, содержащегося в указанной струе, в момент падения на стакан вблизи точки прихода струи все же будет ориентирована, по существу, перпендикулярно указанной плоскости.

Однако наиболее предпочтительной является конфигурация, в которой ось инициирующей струи топлива, по существу, перпендикулярна плоскости, которая является касательной к стакану в точке прихода струи топлива.

В случае стакана цилиндрической формы существует только одна плоскость, которая является касательной в выбранной точке поверхности цилиндра. Следует отметить, что стакану в области указанной точки прихода струи топлива могут быть приданы различные формы, отличные от цилиндрической. Однако приведенная характеристика ориентации инициирующей струи топлива относительно плоскости, касательной к поверхности стакана, применима и к этим различным формам стакана. Для профилей стакана, не имеющих касательной плоскости, эквивалентный подход мог бы состоять в выборе для инициирующей струи топлива такой ориентации, которая приводила бы к уменьшению момента и скорости топлива, поступающего в экранированное пространство для формирования внутри него горючей смеси.

В предпочтительных вариантах клапан инжекции топлива имеет удлиненный корпус с продольной осью, параллельной продольной оси цилиндра. В предпочтительной конфигурации конец устройства зажигания, находящийся в камере сгорания, расположен под углом к клапану инжекции топлива. В результате продольная ось устройства зажигания расположена под острым углом к продольной оси клапана инжекции топлива.

В одном из вариантов изобретения каждое из указанных окон инжекции топлива ориентировано таким образом, чтобы направлять струи топлива в камере сгорания под первым углом инжекции, измеряемым от головки цилиндра. Исключение составляет окно инжекции топлива, соответствующее инициирующей струе топлива и ориентированное таким образом, чтобы направлять инициирующую струю топлива в камере сгорания под вторым углом инжекции, отличным от первого угла инжекции. При этом второй угол инжекции определяется положением указанной плоскости, касательной к стакану в точке прихода струи топлива, относительно соответствующего ей окна инжекции топлива. В то же время первый угол инжекции задается требуемым профилем пространственного распределения газового топлива, подаваемого в камеру сгорания.

Согласно другому варианту, по меньшей мере, одна из струй топлива подается в камеру сгорания через одно из указанных окон инжекции топлива, ориентированное 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. При этом угол инжекции для каждой из струй топлива, измеряемый от головки цилиндра, предпочтительно составляет 10°-25°. В некоторых вариантах изобретения угол инжекции для указанных струй топлива может быть выбран меньшим угла инжекции для инициирующей струи топлива.

Кроме того, в предпочтительных вариантах двигатель по изобретению выполнен с возможностью работы при степени сжатия до 25:1. Более предпочтительно выбрать степень сжатия между 13:1 и 25:1. При этом двигатель может быть выполнен с возможностью работы при степени сжатия, варьируемой между 13:1 и 25:1, например, в зависимости от такого рабочего параметра, как нагрузка на двигатель.

Более конкретно, при малых нагрузках целесообразно применять более высокую степень сжатия с целью повысить температуру внутри цилиндра к концу фазы сжатия и за счет этого усилить процесс горения с соответственным уменьшением количества выбросов в виде несгоревших углеводородов. При более высоких нагрузках можно уменьшить степень сжатия. Это позволит уменьшить пиковое давление в цилиндре и снизить уровень шума при горении. Таким образом, реализация данного варианта позволяет повысить тепловую эффективность двигателя.

Размер каждого из 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. Как следствие, для того чтобы обеспечить желательную длительность акта инжекции топлива, необходимую для стабильного воспламенения топлива при меньших нагрузках, требуется клапан инжекции топлива, позволяющий варьировать массовый расход топлива от нуля до максимального предусмотренного значения. Соответственно предпочтительный клапан инжекции топлива содержит приводной компонент, которым можно управлять с целью управления движением иглы клапана, и, как следствие, массовым расходом топлива через окна инжекции. В частности, приемлемым для этой цели представляется клапан инжекции топлива, использующий пьезоэлектрический или магнитострикционный приводной компонент. Проведенные испытания показали, что настройка временного профиля инжекции основного количества подаваемого топлива путем изменения хода иглы клапана в процессе инжекции действительно обеспечивает средства управления характеристиками процесса горения.

Могут быть использованы известные приводные компоненты для быстрой перестройки клапана инжекции топлива, включая гидравлические, электромагнитные, пьезоэлектрические и магнитострикционные. Применительно к гидравлическому варианту клапана инжекции топлива возможно использование электромагнитного, пьезоэлектрического или магнитострикционного приводного компонента, приводящего в действие гидравлический клапан, который контролирует подачу и отвод гидравлической жидкости от клапана инжекции топлива.

Управление работой клапана инжекции топлива предпочтительно осуществляется с применением электронного контроллера, функционирующего с обращением к электронной карте для определения потребления топлива, выбора момента начала акта инжекции и управления массовым расходом топлива во время этого акта.

Средняя длина инициирующей струи топлива предпочтительно составляет 3-8 мм. Эта длина струи соответствует расстоянию между окном инжекции топлива, ориентированным в направлении устройства зажигания, и точкой прихода струи топлива, т.е. точкой, в которой инициирующая струя топлива попадает на устройство зажигания. Предпочтительное значение средней длины струи составляет 5-10% диаметра полости, выполненной в цилиндре. Нижние значения указанного интервала обычно соответствуют большим значениям диаметра указанной полости, тогда как верхние значения - меньшим значениям данного диаметра. При этом в предпочтительном варианте инжекция газового топлива осуществляется при постоянном давлении, составляющем 20-30 МПа.

Вышеупомянутое впускное отверстие может составлять одно из впускных отверстий, причем каждое впускное отверстие расположено вблизи точки прихода струи топлива. Благодаря такому расположению, по меньшей мере, часть воспламеняемого газового топлива из инициирующей струи топлива, которая попадает на устройство зажигания, проходит через впускные отверстия в экранированное пространство. В предпочтительных вариантах точка прихода струи топлива расположена эквидистантно относительно центров впускных отверстий. При использовании двух впускных отверстий точка прихода струи топлива может являться средней точкой отрезка прямой линии, проведенной между центрами этих впускных отверстий. Испытания двигателя показали, что хорошие результаты могут быть достигнуты, когда центры двух впускных отверстий расположены друг от друга на расстоянии, близком к 3 мм.

Вышеупомянутое выпускное отверстие также может составлять одно из выпускных отверстий. Каждое из выпускных отверстий отстоит от точки прихода струи топлива на расстояние, превышающее расстояние между впускным отверстием и точкой прихода струи топлива. Желательно, чтобы размер каждого из выпускных отверстий определялся суммарной площадью проходного сечения, необходимой для обеспечения требуемого потока через выходные окна в процессе работы двигателя в условиях полной нагрузки. Желательно также, чтобы суммарная площадь проходного сечения впускных и выпускных отверстий находилась в интервале 0,75-5,0 мм².

В предпочтительных вариантах в стакане могут иметься от двух до десяти (более предпочтительно - от четырех до шести) отверстий для прохода топлива. Количество отверстий выбирается в зависимости от диаметра поршня, диаметра камеры сгорания, максимальной скорости вращения коленвала и других рабочих параметров двигателя.

В предпочтительном варианте впускное отверстие (впускные отверстия) выполнено (выполнены) в боковой поверхности стакана, а выпускное отверстие (выпускные отверстия) - в его закругленной торцевой поверхности. При этом функция каждого из этих отверстий задается его относительным расстоянием от точки прихода струи топлива, на которую ориентирована инициирующая струя топлива.

Стакан предпочтительно выполнен с закрытым концом, так что впускное отверстие (впускные отверстия) и выпускное отверстие (выпускные отверстия) являются единственными каналами сообщения между камерой сгорания и экранированным пространством.

В предпочтительном варианте двигателя используются два впускных отверстия и два выпускных отверстия, причем каждое отверстие является круглым и имеет диаметр, выбранный в интервале 0,5-1,2 мм.

Эффективность устройства зажигания определяется выполнением стакана, приспособленного для выполнения нескольких взаимно сбалансированных функций. С одной стороны, стакан должен защитить воспламенитель от воздействия пульсирующих струй газовоздушной топливной смеси, инжектируемых в камеру сгорания, и от охлаждения со стороны всасываемого воздуха и газового топлива, которые подаются в камеру сгорания. Для осуществления данной функции стакан, который предпочтительно выполнен с закрытым концом, охватывает воспламенитель, чтобы ограничить потоки между экранированным пространством вокруг воспламенителя и камерой сгорания.

С другой стороны, чтобы устройство зажигания могло функционировать, должна существовать определенная связь между камерой сгорания и экранированным пространством. Такая связь необходима для того, чтобы достаточное количество газового топлива могло поступать в экранированное пространство для формирования горючей газовоздушной топливной смеси, которая может воспламеняться, вступая в контакт с нагретой поверхностью воспламенителя. Для осуществления данной функции стакан имеет, по меньшей мере, одно впускное отверстие, обеспечивающее требуемую связь между камерой сгорания и экранированным пространством. Размеры и положение впускного отверстия (впускных отверстий) выбраны таким образом, что та часть инициирующей струи топлива, которая поступает в экранированное пространство через впускное отверстие (впускные отверстия), содержит столько топлива, сколько нужно для инициирования горения в экранированном пространстве и камере сгорания. Благодаря этому устройство зажигания способно воспламенить горючую газовоздушную топливную смесь, которая формируется в экранированном пространстве, с последующим выбрасыванием горящей газовоздушной топливной смеси в камеру сгорания.

Выход горящей газовоздушной топливной смеси из экранированного пространства происходит через выпускное отверстие (выпускные отверстия), выполненное (выполненные) в стакане. Поскольку в описанной конфигурации необходимое количество газового топлива поступает в экранированное пространство через впускные отверстия, выпускное отверстие (выпускные отверстия) может (могут) иметь размеры и ориентацию, выбранные только из условия подачи горящей газовоздушной топливной смеси в направлении выбранных зон внутри камеры сгорания для воспламенения остального газового топлива. Суммарное проходное сечение впускных и выпускных отверстий намного меньше аналогичного сечения в известных перфорированных защитных экранах. Другое достоинство описанного стакана заключается в том, что он ограничивает потоки текучих сред между камерой сгорания и экранированным пространством в отношении как их входа, так и выхода из экранированного пространства. Другими словами, после того как горючая газовоздушная топливная смесь будет сформирована в экранированном пространстве и воспламенена за счет контакта с нагретой поверхностью воспламенителя, давление внутри экранированного пространства возрастет. Известные экраны, открытые с концов, или стаканы с большой поверхностью перфорации не ограничивают в такой же степени обратный поток в камеру сгорания. Предполагается, что одно из достоинств представленной конструкции состоит в том, что она позволяет получить более высокие давления, способствующие выбрасыванию горящей газовоздушной топливной смеси через выпускное отверстие (выпускные отверстия).

В предпочтительных вариантах изобретения выпускное отверстие (выпускные отверстия) устройства зажигания ориентировано (ориентированы) таким образом, чтобы направлять горящую газовоздушную топливную смесь к струям топлива, посредством которых происходит формирование горючей смеси с высоким содержанием топлива.

Как было описано выше, инициирующая струя топлива представляет собой одну из нескольких инжектируемых струй топлива. При этом струи топлива, которые не направлены на устройство зажигания, ориентированы таким образом, чтобы равномерно распределить газовое топливо по остальному объему камеры сгорания, где оно смешивается с всасываемым воздухом, образовывая горючую смесь. В предпочтительных вариантах наконечник клапана инжекции топлива может содержать от четырех до двенадцати окон инжекции топлива. Количество этих окон зависит от таких факторов, как диаметр камеры сгорания, усиление вихреобразования в газовоздушной топливной смеси, которое нужно поддерживать с учетом максимальной скорости вращения коленвала, и общие рабочие параметры. В частности, большее количество окон инжекции обычно представляется предпочтительным для более крупных камер сгорания.

Эксперименты показали, что двигатель внутреннего сгорания описанной конструкции, который сочетает наличие устройства зажигания, использующего короткую инициирующую струю топлива, и высокую степень сжатия, характерную для двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением (дизельного двигателя), обеспечивает управляемое и надежное функционирование при низком уровне выбросов. Кроме того, по сравнению с известными конфигурациями устройство зажигания, в котором используется стакан, установленный вокруг воспламенителя с формированием экранированного пространства, примыкающего к воспламенителю, может быть также использован для существенного снижения тепловой мощности, которую необходимо подводить к воспламенителю.

Предпочтительным является воспламенитель с электрическим нагревом, например, типа накальной свечи. Однако используемая накальная свеча должна быть рассчитана на непрерывную работу в условиях, характерных для описанного двигателя. У воспламенителя и/или стакана может иметься керамическая поверхность. Далее, по меньшей мере, на часть воспламенителя или стакана может быть нанесен катализатор горения для того, чтобы понизить температуру, необходимую для обеспечения стабильного горения.

Согласно предпочтительному варианту наконечник клапана инжекции газового топлива установлен на оси полости, образующей камеру сгорания. Такое центральное расположение наконечника приводит к равномерному распределению инжектируемого газового топлива в полости камеры сгорания. Это, в свою очередь, способствует полному смешению с воздухом, поступившим в фазе всасывания. Кроме того, центральное расположение наконечника клапана инжекции газового топлива позволяет разработать головку цилиндра с тремя или четырьмя клапанами.

В предпочтительном варианте во время первого акта инжекции в камеру сгорания подают для осуществления зажигания такое количество топлива, которое составляет по массе 5-10% общего количества топлива, требуемого в случае, когда двигатель работает с полной нагрузкой. Второй акт инжекции служит для того, чтобы инжектировать в камеру сгорания в дополнение к топливу, поданному для осуществления зажигания, основную часть топлива. При этом суммарное количество топлива должно соответствовать текущей нагрузке двигателя, определяемой контроллером двигателя посредством обращения к электронной карте двигателя. В данном примере два отдельных акта инжекции топлива могут быть согласованы во времени таким образом, чтобы обеспечить более интенсивное и, следовательно, более стабильное воспламенение газовоздушной топливной смеси без повышения температуры поверхности воспламенителя. Это условие является важным для уменьшения выбросов моноксида углерода и несгоревшего топлива. Кроме того, поскольку некоторое количество топлива подается во время первого акта инжекции, к моменту, когда начинается горение, объем воспламеняемой смеси оказывается уменьшенным. Это приводит к выделению меньшего количества тепла и, следовательно, к снижению уровня шума при горении.

Для точного контроля процесса инжекции и гарантии того, что все цилиндры двигателя внутреннего сгорания реализуют одинаковый цикл сжигания топлива, двигатель может дополнительно содержать датчики и/или электронные контроллеры, способные определять моменты инжекции. Предпочтительный метод контроля может быть основан на изменении массовых расходов путем управления ходом иглы клапана за счет отслеживания движения одной иглы или игл всех клапанов.

Благодаря высокой надежности воспламенения газовоздушной топливной смеси, достигаемой с помощью описанного устройства зажигания, выхлопные газы двигателя вполне пригодны для рециркулирования определенного их количества с подачей их в систему забора воздуха (реализуя тем самым так называемую схему рециркуляции выхлопных газов - exhaust gas recirculation, "EGR"). Соответственно в предпочтительном варианте двигатель дополнительно содержит систему EGR для ввода в систему забора воздуха части выхлопных газов, отводимых из камеры сгорания. Рециркулируемые выхлопные газы могут подаваться в систему забора воздуха с предварительным охлаждением или без охлаждения в зависимости от условий работы двигателя. В соответствии со способом по изобретению с целью сокращения выбросов в виде окислов азота можно рециркулировать до 70% выхлопных газов.

Краткое описание чертежей

Другие эффективные варианты осуществления изобретения станут ясны из описания и чертежей, которые более детально иллюстрируют предпочтительные варианты изобретения.

На фиг.1 на виде сбоку в сечении показаны наконечник клапана инжекции газового топлива и устройство зажигания, установленные в камере сгорания.

Фиг.2 иллюстрирует устройство зажигания, соответствующее уровню техники; показана также нижняя часть корпуса или держателя, в котором закреплен воспламенитель.

На фиг.3 представлено более детальное изображение устройства зажигания по фиг.1; устройство зажигания представлено частично в разрезе, чтобы показать положение воспламенителя внутри стакана.

На фиг.4 представлена головка цилиндра на виде снизу со стороны камеры сгорания (т.е. при удаленном поршне); показано положение клапана инжекции топлива относительно устройства зажигания.

На фиг.5 представлен частичный вид камеры сгорания в сечении плоскостью, обозначенной, как 5-5 на фиг.4. Видны струи топлива, иллюстрирующие предпочтительные углы инжекции, которые обеспечивают подачу инициирующей струи топлива к устройству зажигания, а остальных струй - в объем камеры сгорания.

Фиг.5А представляет собой часть вида по фиг.5 в увеличенном масштабе; иллюстрируются размерные соотношения между наконечником клапана инжекции топлива и устройством зажигания.

Фиг.6 в графической форме иллюстрирует предпочтительный командный импульс, активирующий клапан инжекции топлива с целью регулирования массового расхода газового топлива, подаваемого в камеру сгорания за время одного акта инжекции.

Фиг.7 в графической форме иллюстрирует другой предпочтительный вариант командного импульса, активирующего клапан инжекции топлива с целью регулирования массового расхода газового топлива, подаваемого в камеру сгорания в виде двух раздельных актов инжекции.

На фиг.8 представлена общая схема топливной и гидравлической систем, взаимодействующих с клапаном инжекции газового топлива; представлен также контроллер для этих систем.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлен частичный вид в сечении двигателя внутреннего сгорания на газовом топливе, иллюстрирующий предпочтительный вариант камеры сгорания. Камера сгорания формируется цилиндром 10, поршнем 12, совершающим возвратно-поступательное движение в цилиндре 10, и головкой 14 цилиндра, которая перекрывает верхний конец цилиндра 10. Клапан 20 инжекции топлива (впускной клапан) и устройство 30 зажигания установлены в головке 14 цилиндра таким образом, что их соответствующие концы выходят в камеру сгорания. Представленный двигатель внутреннего сгорания может иметь рядное или V-образное расположение цилиндров при требуемом количестве цилиндров и желаемом значении рабочего хода.

Поршень 12 предпочтительно выполнен, по существу, таким же, как поршень в эквивалентном двигателе на дизельном топливе. В типичном варианте у поршня имеется полость 13, образующая камеру сгорания. В представленном варианте для облегчения понимания этой полости 13 придана простая форма. Однако специалистам в данной области будет понятно, что могут быть использованы и полости иной формы. Например, двигатели меньшего объема могут использовать камеру сгорания с криволинейным профилем и завихрителем, создающим турбулентность для улучшения перемешивания. Быстрому формированию газовоздушной топливной смеси в камере сгорания может также способствовать создание турбулентности и вихревого движения при наддуве в процессе инжекции топлива.

На нижнем конце клапана 20 инжекции топлива расположен инжекционный наконечник с окнами инжекции (впрыска) топлива, через которые топливо подается непосредственно в камеру сгорания. По меньшей мере, одно из указанных окон ориентировано на точку на устройстве 30 зажигания, в которой происходит воспламенение. В представленном варианте клапан 20 инжекции топлива расположен на центральной оси полости 13, образующей камеру сгорания, и предпочтительно содержит от четырех до двенадцати окон инжекции топлива. Распыленные струи (потоки) 22 топлива, истекающие из окон инжекции, показаны на фиг.1 штриховыми линиями. Как было указано, одно из окон инжекции топлива ориентировано таким образом, чтобы направлять струю 22а топлива в точку прихода струи топлива на устройстве 30 зажигания.

Как показано на фиг.2, устройство 30 зажигания, соответствующее уровню техники, содержит воспламенитель 32 и стакан 34, расположенный вокруг воспламенителя 32 с формированием экранированного пространства 33 между воспламенителем 32 и внутренней поверхностью стакана 34. В представленном варианте указанное экранированное пространство 33 включает кольцевое пространство между воспламенителем 32 и внутренней стенкой стакана 34, а также пространство между свободным концом воспламенителя 32 и закрытым закругленным концом стакана 34. Закругленный конец представляется предпочтительным по сравнению с плоским, поскольку он обеспечивает большую структурную прочность, причем одновременно уменьшается заглубление устройства 30 зажигания в объем камеры сгорания. Точка прихода струи топлива соответствует точке на наружной поверхности стакана 34, расположенной вблизи одного из сквозных впускных отверстий 36, выполненных в стакане 34. Впускные отверстия 36 и выпускные отверстия 38 позволяют текучей среде перемещаться между экранированным пространством 33 и камерой сгорания. В известном устройстве зажигания, представленном на фиг.2, имеются два впускных отверстия 36. В известном устройстве 30 зажигания нижний конец воспламенителя 32 находится на уровне линии, соединяющей центры выпускных отверстий 38.

Как можно видеть из фиг.3, согласно изобретению размеры и положение впускного отверстия (впускных отверстий) 36 относительно точки прихода струи топлива выбираются таким образом, чтобы газовое топливо могло поступать в экранированное пространство 33 в количестве, достаточном для того, чтобы оно могло воспламениться и вызвать воспламенение, по существу, всего газового топлива в камере сгорания. Эффективность описанной схемы с двумя впускными отверстиями 36 , диаметр каждого из которых составляет 0,8-1,2 мм, подтверждена экспериментально. Была также проведена экспериментальная проверка схемы с двумя входными и двумя выходными отверстиями с диаметром 0,55 мм каждое. Двигатель при этом мог работать, но устройство зажигания действовало менее эффективно. Ожидается, что эффективность маленьких отверстий можно повысить за счет увеличения их количества. Для дальнейшей оптимизации размеров, положения и количества входных отверстий может быть привлечен компьютерный гидродинамический анализ. Однако уже можно сделать вывод, что слишком маленькие входные отверстия 36 не обеспечат поступление достаточного количества топлива в экранированное пространство 33 . В то же время использование слишком больших впускных отверстий может привести к наличию избыточных потоков между экранированным пространством 33 и камерой сгорания. В результате могут иметь место чрезмерное охлаждение воспламенителя 32 , а также замедленное нарастание давления в экранированном пространстве 33 . Это, в свою очередь, может замедлить или ограничить распространение горящей газовоздушной топливной смеси, которая подается в камеру сгорания.

Фиг.3 иллюстрирует предпочтительный вариант устройства 30 зажигания, в котором выпускные отверстия 38 выполнены на закругленном конце стакана 34 . Преимущество такого расположения выпускных отверстий 38 состоит в том, что длина устройства 30 зажигания в этом случае может быть сделана меньшей, чем если бы выпускные отверстия были выполнены в цилиндрических боковых стенках (как это имеет место в устройстве по фиг.2).

В некоторых конструкциях головки поршня, например, выполненных с использованием завихрителя, с учетом того, насколько устройство 30 зажигания заходит в камеру сгорания, в той части головки поршня, которая противолежит устройству 30 зажигания, может быть выполнено углубление с целью избежать контакта между указанным устройством и камерой в процессе работы двигателя.

Фиг.3 иллюстрирует также предпочтительное положение воспламенителя 32 внутри стакана 34 . Конец воспламенителя 32 предпочтительно находится в пределах 3 мм от линии, соединяющей центры впускных отверстий 36 . В более предпочтительных вариантах конец воспламенителя 32 расположен на расстоянии не более чем 1 мм от линии, соединяющей центры впускных отверстий 36 , или (как это показано на фиг.3) на уровне указанной линии.

На фиг.4 головка цилиндра представлена на виде снизу со стороны камеры сгорания (т.е. при удаленном поршне). На этой фигуре элементы, аналогичные элементам, показанным на фиг.1-3, имеют обозначения, увеличенные на 100. Для наглядности клапан 120 инжекции топлива (впускной клапан) и выпускной клапан не изображены. Однако при установке клапана 120 инжекции топлива и устройства 130 зажигания в центральной части головки цилиндра можно использовать схемы с двумя, тремя и четырьмя клапанами.

Впускной клапан (клапан инжекции топлива) 120 имеет инжекционный наконечник 121 с окнами 124 инжекции топлива. Окно 124А инжекции топлива ориентировано таким образом, чтобы направлять распыленную струю топлива для зажигания к устройству 130 зажигания, которое установлено наклонно по отношению к инжекционному наконечнику 121. Положение устройства 130 зажигания в головке цилиндра 114 выбрано таким образом, что струя топлива, подаваемая через окно 124А инжекции топлива, проходит отрезок, составляющий 3-8 мм, или 5-10% диаметра камеры сгорания (в зависимости от ее размера). Количество топлива, подаваемого в двигатель, зависит от условий его работы, таких как нагрузка и ее тип (статический или динамический, т.е. изменяющийся). Экспериментальные результаты показали, что при расчетных условиях выбор указанного выше расстояния между окном инжекции топлива и точкой прихода струи топлива приводит к тому, что достаточное количество газового топлива поступает в экранированное пространство 33 , чтобы образовать воспламеняемую газовоздушную топливную смесь, которая вступает в контакт с воспламенителем. Под "достаточным количеством газового топлива" в данном контексте понимается количество топлива, которое обеспечивает образование внутри экранированного пространства горючей смеси, способной воспламениться и образовать горящую газовоздушную топливную смесь. При этом данная горящая смесь будет в состоянии выйти за пределы экранированного пространства и воспламенить горючую газовоздушную топливную смесь в зоне, окружающей наконечник 121 клапана инжекции топлива. Заштрихованная область 110 на фиг.5 соответствует зоне, окружающей наконечник 121 клапана инжекции топлива, в направлении которой движется горящая газовоздушная топливная смесь. Иначе говоря, выпускные отверстия 138 (см. фиг.5А) ориентированы таким образом, что горящая газовоздушная топливная смесь, вытесняемая из экранированного пространства 33 , воспламеняет топливо в области 110.

На фиг.5 представлен частичный вид камеры сгорания в сечении плоскостью, обозначенной, как 5-5 на фиг.4, тогда как фиг.5А представляет собой часть вида по фиг.5 в увеличенном масштабе, соответствующую области вблизи наконечника 121 клапана инжекции топлива и устройства 130 зажигания. Клапан 120 инжекции топлива и устройство 130 зажигания установлены в головке 114 цилиндра и выступают из нее. Воспламенитель 132 находится в стакане 134 устройства 130 зажигания.

Оси 122 отмечают направления, по которым струи (потоки) топлива поступают в камеру сгорания через окна 124 инжекции топлива, иллюстрируя пример предпочтительного угла инжекции для представленной геометрии камеры сгорания. Как хорошо известно специалистам в данной области, струи газового топлива, которое подается в камеру сгорания описанным образом, по мере своего удаления от наконечника 121 становятся все более расходящимися относительно осей 122. Таким образом, оси 122 иллюстрируют углы инжекции только для центральных осей топливных струй (пучков). Окна 124 инжекции топлива предпочтительно ориентированы таким образом, чтобы углы инжекции составляли 10°-25°. Такой выбор обусловлен стремлением к равномерному распределению газового топлива внутри камеры сгорания, причем конкретные значения углов инжекции определяются геометрией камеры сгорания двигателя. В предпочтительных вариантах угол инжекции выбирается из условия оптимизации расстояния, проходимого струей топлива, причем эти струи должны быть ориентированы на турбулентные зоны внутри камеры сгорания. Увеличение указанных расстояний, проходимых струями топлива, представляется предпочтительным, поскольку улучшает распределение топлива.

В представленном варианте по сравнению с известными вариантами угол инжекции инжектируемой струи 122А топлива, которая поступает через окно 124А инжекции топлива, как это видно из фиг.5А, характеризуется другим углом инжекции, причем окно 124А инжекции топлива расположено на инжекционном наконечнике 121 на более низком уровне по сравнению с окном 124 инжекции топлива. Угол инжекции этой, инициирующей струи 122А топлива, выбирается таким образом, чтобы направить ее к точке прихода струи топлива, расположенной на поверхности стакана. Таким образом, значительная часть данной струи топлива течет в направлении, которое образует угол, меньший или равный 25° относительно оси, перпендикулярной плоскости, касательной к стакану в точке прихода струи топлива.

Для того чтобы инжектировать газовое топливо непосредственно в камеру сгорания незадолго перед верхней мертвой точкой хода поршня, газовое топливо подают к клапану 120 инжекции топлива под высоким давлением. Например, газовое топливо может подаваться под давлением в диапазоне 20-30 МПа, что обеспечивает инжекцию газового топлива в камеру сгорания при высокой скорости. Зажигание газового топлива улучшается за счет уменьшения скорости топлива, которое вступает в контакт с воспламенителем. Если газовое топливо подается в сторону стакана 134 так, что оно течет в направлении, перпендикулярном поверхности стакана 134, при падении на эту поверхность имеет место максимальное изменение момента частиц топлива в результате соударения с поверхностью стакана. Как следствие, падение скорости струи топлива также максимально. Соответственно в самом предпочтительном варианте инициирующая струя топлива ориентирована таким образом, что ее существенная часть течет в направлении, перпендикулярном плоскости, которая расположена касательно к поверхности стакана в точке прихода струи топлива (как это показано на фиг.5А).

Однако в некоторых случаях ограничения, накладываемые геометрией камеры сгорания двигателя или конструкцией головки цилиндра, могут привести к не столь желательной ориентации инициирующей струи топлива. При этом было экспериментально показано, что ориентации, при которых инициирующая струя топлива отклоняется от описанной перпендикулярной ориентации менее чем на 25°, также обеспечивают приемлемые, хотя и не столь высокие показатели.

На фиг.5А в увеличенном масштабе показана камера сгорания между инжекционным наконечником 121 клапана 120 инжекции топлива и устройством 130 зажигания. Представляется, что инициирующая струя 122А топлива при своем движении к точке прихода струи топлива захватывает какое-то количество воздуха; кроме того, она также смешивается с воздухом, который поступил в экранированное пространство 33 при движении поршня, соответствующем фазам всасывания и сжатия. Кроме того, представляется, что подача струи 122А топлива в направлении точки прихода струи топлива, а не прямо во впускное отверстие 136 обеспечивает улучшенное качество смешения и ослабляет влияние охлаждения.

Когда внутри экранированного пространства 33 формируется горючая газовоздушная топливная смесь, она контактирует с поверхностью воспламенителя и воспламеняется. Давление внутри экранированного пространства 33 быстро возрастает в результате горения и ограничений течения смеси между экранированным пространством 33 и камерой сгорания. Возникающее повышенное давление вытесняет горящую газовоздушную топливную смесь в камеру сгорания через, по меньшей мере, одно выпускное отверстие 138 . В представленных на фиг.3 и 5А вариантах имеются два выпускных отверстия, обозначенные соответственно, как 38 и 138 (на фиг.5А показана только одна половина стакана).

Выпускные отверстия пространственно смещены относительно впускных отверстий. При этом выпускные отверстия могут быть ориентированы таким образом, чтобы направлять горящую газовоздушную топливную смесь к области 110 камеры сгорания с целью эффективного сжигания горючей газовоздушной топливной смеси, которая образуется в результате инжекции топлива. Кроме того, выпускные отверстия удалены от точки прихода струи топлива на большее расстояние, чем впускные отверстия. В соответствии с предпочтительными условиями работы в момент, когда горящая газовоздушная топливная смесь покидает экранированное пространство 33 , инжекция топлива продолжается. При этом представляется, что удаление выпускных отверстий от точки прихода струи топлива уменьшает нежелательное взаимное влияние горящей газовоздушной топливной смеси, вытекающей из устройства 30 зажигания, и инициирующей струи топлива, которая направляется к точке прихода струи топлива на устройстве 30 зажигания. Уменьшение этого взаимного влияния может способствовать обеспечению очень малой задержки воспламенения, что оказывает положительное влияние на рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания.

По сравнению с работой на жидком топливе при подаче газового топлива может понадобиться более длительный период инжекции топлива. В связи с этим расположение впускных и выпускных отверстий относительно точки прихода струи топлива становится важным фактором. Действительно, при правильном расположении клапан 20 инжекции топлива может продолжить инжекцию газового топлива в камеру сгорания после того, как было инициировано горение, поскольку инициирующая струя топлива не создает существенных помех распространению горящей газовоздушной топливной смеси, выбрасываемой через выпускные отверстия. Большая продолжительность периода инжекции топлива может оказаться желательной. Действительно, в этом случае горящая газовоздушная топливная смесь может быть направлена к области 110, окружающей инжекционный наконечник 121 клапана инжекции топлива, где одновременно происходит инжектирование струй топлива в камеру сгорания. В таких вариантах в случае, если в течение цикла работы двигателя имеет место однократная инжекция топлива, задержка зажигания может быть короче, чем длительность соответствующего периода инжекции.

Еще одна причина для отнесения выпускных отверстий на большее расстояние от точки прихода струи топлива заключается в том, что такое расположение гарантирует поступление основной части топлива через впускные отверстия в экранированное пространство 33 . Это позволит вытеснять часть воздуха, находившегося в экранированном пространстве 33 , обратно в камеру сгорания через выпускные отверстия. Тем самым облегчится поступление газового топлива в экранированное пространство 33 через впускные отверстия в начале периода инжекции топлива. Таким образом, описанный вариант, использующий, по меньшей мере, одно впускное отверстие и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (причем функции этих отверстий определяются их смещением относительно точки прихода струи топлива), обладает рядом преимуществ. Как это видно из представленных вариантов, выпускные отверстия расположены ниже впускных отверстий. При этом в представленных вариантах точка прихода струи топлива расположена предпочтительно эквидистантно по отношению к впускным отверстиям и может соответствовать средней точке между этими отверстиями или точке на продольной оси устройства 30 , 130 зажигания, которая находится ближе к впускным отверстиям, чем к выпускным.

Клапан инжекции газового топлива может представлять собой клапан с гидравлическим управлением, причем гидравлическое давление может контролироваться посредством электромагнитного гидравлического клапана. Поскольку подобный клапан обладает достаточно высокой частотой переключения, то для того, чтобы реализовать опережающую инжекцию и разделить инжекцию на несколько актов ("импульсов") инжекции, можно использовать гидравлически переключаемый клапан, приводимый в действие пьезоэлектрическим приводным элементом. Испытания показали, что гидравлический клапан с приводом от пьезоэлектрического приводного элемента в сочетании с клапаном инжекции газового топлива с гидравлическим приводом отвечает требованиям по частоте переключения и точности в отношении управления началом и продолжительностью инжекции.

В другом варианте может быть использован газовый клапан инжекции топлива, использующий иглу, которая активируется непосредственно электромагнитным приводным компонентом. Пример такого клапана описан в патенте США №6298829. В данном клапане для инжекции топлива не требуется применения гидравлической жидкости, поскольку движение элементов электромагнитного приводного компонента вызывает соответствующее движение иглы, открывающей и закрывающей клапан инжекции топлива. Клапан инжекции топлива с таким электромагнитным приводным компонентом способен обеспечить быстродействие, необходимое для осуществления инжекции в форме коротких актов инжекции ("импульсов") при осуществлении более одного акта инжекции в течение одного рабочего цикла двигателя.

В других предпочтительных вариантах клапан инжекции топлива может приводиться в действие "непосредственно" от пьезоэлектрического или магнитострикционного приводного компонента, который обеспечивает движущую силу для перемещения отпирающего или запирающего элемента клапана при открывании и закрывании данного клапана. Подобные приводные компоненты способны работать при еще более коротких продолжительностях актов инжекции топлива, так что они могут оказаться полезными для двигателей, рассчитанных на работу при высоких скоростях вращения коленвала. Еще одно преимущество использования клапана инжекции топлива с прямым управлением заключается в том, что в дополнение к реализации быстродействия, обеспечивающего многократную импульсную инжекцию в течение одного рабочего цикла двигателя, пьезоэлектрический и магнитострикционный приводные компоненты могут также управляться таким образом, чтобы обеспечить "регулировку инжекции". Это означает, что величина смещения, задаваемая приводным компонентом во время акта инжекции, является управляемой и может быть выбрана из условия требуемого массового расхода через клапан инжекции топлива во время акта инжекции топлива.

Графики на фиг.6 и 7 соответствуют амплитуде командного импульса, управляющего клапаном инжекции топлива, подающего топливо в камеру сгорания на протяжении одного цикла горения топлива. При этом каждому такому циклу соответствует отдельный командный импульс

Значения амплитуды, которые откладываются на вертикальной оси представленных графиков, соответствуют различным единицам для различных типов приводных компонентов. Так, для магнитострикционного приводного компонента амплитуда соответствует электрическому току, подаваемому в катушку для формирования магнитного поля.

В случае пьезоэлектрического приводного компонента амплитуда соответствует напряжению, прикладываемому к пьезоэлектрическим элементам. Движение иглы клапана в общем случае коррелирует с амплитудой командного импульса, т.е. чем больше эта амплитуда, тем большее количество топлива инжектируется.

Применительно к фиг.6 временной интервал между моментами S и М составляет около 2 мс. Смысл подачи меньшего количества топлива в начале акта инжекции состоит в том, чтобы сначала ввести только то количество топлива, которое необходимо для инициирования его горения. Иначе говоря, необходимо, чтобы достаточное количество топлива воспламенилось от устройства зажигания для получения горящей смеси, которая направляется обратно в камеру сгорания для воспламенения горючей топливной смеси в области 110 вокруг наконечника 121 клапана инжекции топлива. Поскольку газовое топливо может иметь большую задержку зажигания, чем обычные самовоспламеняющиеся жидкие топлива, возможность управления массовым расходом при подаче топлива в камеру сгорания более важна для газового, чем для жидкого топлива. Из-за наличия задержки зажигания инициирующая струя топлива вводится в камеру сгорания с большим опережением относительно желательного момента инжектирования основной части топлива в акте инжекции. Соответственно на временном интервале между началом акта инжекции топлива в момент S и началом главной части этого акта в момент М используется небольшая амплитуда для того, чтобы избежать преждевременной подачи избыточного количества топлива в камеру сгорания.

Момент М в типичном случае соответствует углу поворота коленвала в интервале 5°-34° перед верхней мертвой точкой, а процесс инжекции топлива в зависимости от желаемого тепловыделения может продолжаться и после прохождения верхней мертвой точки.

В способе, который иллюстрируется фиг.7, первый акт инжекции начинается в момент времени S. Затем следует второй акт инжекции, начинающийся в момент М. Согласно данному варианту длительность первого акта инжекции, равная 0,2-0,5 мс, оказалась эффективной в сочетании с длительностью интервала между моментами S и М, составляющей 0,25-1 мс. Как и в предыдущем случае, момент М может соответствовать углу в интервале 5°-34° перед верхней мертвой точкой, а момент S может предшествовать моменту М на время, соответствующее углу поворота коленвала в интервале 6°-13°.

Устройство 30 зажигания может содержать воспламенитель с керамической поверхностью, поскольку имеется возможность обеспечить в керамических материалах долговечность при весьма неблагоприятных условиях, при которых работает устройство зажигания. С целью дальнейшего повышения стабильности устройства 30 зажигания защитный стакан 34 также может быть выполнен из керамического материала. На стакан 34 может быть нанесено каталитическое покрытие, содержащее платину и/или палладий, для того чтобы ускорить процесс воспламенения и тем самым повысить стабильность горения. Использование подобного каталитического покрытия особенно целесообразно в небольших двигателях, поскольку в них размеры камеры сгорания требуют использования малых объемов экранированного пространства. Это приводит к уменьшению объема топлива, воспламеняемого на горячей поверхности. Как следствие, использование в таком двигателе устройства зажигания, не имеющего каталитического покрытия, могло бы привести к замедленному сгоранию топлива и к соответственно увеличенным выбросам углеводородов и моноксида углерода.

Способ функционирования двигателя внутреннего сгорания, в котором газовое топливо инжектируется непосредственно в камеру сгорания, требует наличия высокого давления топлива перед клапаном 20 инжекции газового топлива. Если двигатель должен применяться в транспортном средстве, необходимо предусмотреть бортовую систему подачи топлива под высоким давлением. Один из вариантов такой топливной системы, содержащей устройства для снабжения газовым топливом и для обеспечения гидравлической жидкостью, приводящей в действие клапан 220 инжекции газового топлива, показан на фиг.8.

Клапан 220 инжекции газового топлива приводится в действие гидравлической жидкостью под давлением, которая воздействует на поршень 222. Поршень 222 связан с иглой 224 клапана, так что движение поршня 222 приводит к соответствующему перемещению иглы 224 клапана.

В многоцилиндровом двигателе внутреннего сгорания клапан инжекции газового топлива предусмотрен для каждой камеры сгорания. При этом общая гидравлическая магистраль 240 подает гидравлическую жидкость к каждому клапану инжекции топлива. Гидравлический насос 242 обеспечивает давление, предпочтительно составляющее 25-30 МПа. Давление в гидравлической магистрали 240 контролируется клапаном 244 контроля давления. Для поддержания гидравлического давления даже после выключения двигателя используется гидроаккумулятор 246.

Как показано на фиг.8 применительно к многоцилиндровому двигателю, клапан 220 инжекции газового топлива получает газовое топливо под давлением 20-30 МПа по топливной магистрали 250, которая снабжает топливом каждый клапан инжекции газового топлива. Газовое топливо хранится в газовом баллоне 252 и поступает в систему подачи топлива под давлением, зависящим от количества остающегося в нем газового топлива. Когда газовый баллон 252 заполнен до предела, давление топлива, поступающего в систему подачи топлива, будет высоким, тогда как по мере опустошения баллона 252 давление в нем падает. Если газовый баллон 252 заполнен, что, например, соответствует давлению в интервале 20-30 МПа, контроллер 260 определяет это по сигналам датчика 262 давления и задает рабочие параметры двигателя, управляя соответственно компрессором 254 и устройством 256 контроля давления таким образом, чтобы к клапанам инжекции топлива подавалось нужное количество газового топлива под требуемым давлением. По мере расходования газового топлива давление соответственно снижается (что фиксируется датчиком 262 давления), и контроллер 260 учитывает это обстоятельство в процессе управления компрессором 254 и устройством 256 контроля давления.

Контроллер 260 может быть также запрограммирован и соответственно включен с возможностью управления давлением гидравлической жидкости в гидравлической системе путем управления гидравлическим насосом 242 и клапаном 244 контроля давления, а также активацией клапана 220 инжекции топлива и других таких клапанов в многоцилиндровом двигателе. В представленном варианте контроллер 260 может управлять электромагнитным клапаном 228 путем открывания и перекрывания гидравлической сливной магистрали. Когда контроллер 260 открывает управляющий электромагнитный клапан 228, гидравлическая жидкость сливается из снабженной пружиной камеры 227 в составе клапана 220 инжекции топлива. При этом давление в гидравлической камере 226 (расположенной над камерой 227) толкает поршень 222 вниз. Соответственно игла 224 клапана движется вниз, чтобы открыть клапан 220 инжекции топлива и инжектировать топливо в камеру сгорания. Изображенный на чертеже клапан инжекции топлива открывается, когда игла движется наружу. Однако специалисты в данной области понимают, что может быть использована и игла, открывающая клапан при движении внутрь. В любом случае наконечник клапана инжекции топлива предпочтительно снабжен средствами для направления струй топлива в камеру сгорания, причем одна из этих струй топлива должна быть направлена к точке прихода струи топлива на устройстве зажигания.

Система подачи топлива по фиг.8 может использовать также клапан инжекции топлива с прямым управлением. В таком случае вместо использования описанной гидравлической системы контроллер 260 будет посылать управляющие сигналы непосредственно на клапан инжекции топлива, чтобы активировать его за счет управления электрическим током или напряжением, подаваемым на приводной компонент.

Хотя описаны и представлены на чертежах были только конкретные элементы и варианты осуществления настоящего изобретения, разумеется, должно быть понятно, что оно не ограничивается этими вариантами. Действительно, специалисты в соответствующей области могут, основываясь на приведенных сведениях и рекомендациях, предложить различные модификации, не выходящие за пределы объема изобретения. Например, вместо изображенной на фиг.8 системы подачи газового топлива под высоким давлением может быть использована система подачи сжиженного газового топлива, содержащая криогенный резервуар, топливный насос, испаритель и вспомогательные устройства для контроля давления.