Газовый двигатель
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливным системам двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить эффективность работы и снизить выбросы из выхлопных систем. Двигатель с воспламенением от сжатия, предназначенный для работы с использованием смеси топливного газа и инициатора зажигания, содержит систему подачи топлива, в которую из одного бака подается сжиженный или находящийся под давлением топливный газ и из другого бака зажигания подается сжиженный или находящийся под давлением инициатор зажигания, и в которой указанный газ и указанный инициатор смешиваются для получения сжиженного или находящегося под давлением смешанного топлива. Двигатель также содержит инжектор для подачи в него указанного смешанного топлива и впрыскивания его в камеру сгорания двигателя. Способ работы двигателя с воспламенением от сжатия работает на топливном газе. Указанный сжиженный или находящийся под давлением газ из одного бака смешивают с инициатором зажигания, из другого бака в системе подачи топлива двигателя для получения сжиженного или находящегося под давлением смешанного топлива, после чего смешанное топливо подают в инжектор, а инжектор впрыскивает смешанное топливо в камеру сгорания с воспламенением от сжатия. Топливо, пригодное для подачи в инжектор двигателя с воспламенением от сжатия, содержит смесь находящегося под давлением топливного газа и инициатора зажигания. Узел топливного инжектора содержит топливный инжектор и отдельный топливно-смесительный узел. В смесительный узел подается первый топливный компонент в виде сжиженного или находящегося под давлением газа из одного бака и второй топливный компонент в виде инициатора зажигания из другого бака, и этот смесительный узел смешивает первый и второй топливные компоненты для получения сжиженной или находящейся под давлением смеси и затем подает смешанное топливо в инжектор. Система подачи топлива, которая предназначена для двигателя с воспламенением от сжатия и в которой смесь сжиженного или находящегося под давлением топливного газа и инициатора зажигания подается в двигатель с использованием общего топливного канала, и в которой сжиженный или находящийся под давлением инициатор зажигания подается из другого бака, и в которой сжиженные или находящиеся под давлением топливный газ и инициатор зажигания смешиваются в общем топливном канале для подачи в двигатель. 5 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.
Данное изобретение относится к двигателям с дизельным циклом и, в частности, к двигателям с дизельным циклом, работающим на газообразных видах топлива.
Спрос на дизельные двигатели с дизельным циклом значительно возрос в последнее время, особенно это касается автомобилей для личного пользования. Двигатель с дизельным циклом обеспечивает более рациональное потребление топлива, что позволяет снизить расходы топлива при эксплуатации автомобиля.
Однако увеличение использования дизельных двигателей существенно повышает в атмосфере количество вредных выбросов, таких как, например, окислы азота и твердые частицы. Двигатели с дизельным циклом, несмотря на то, что они позволяют получить более высокую экономию топлива, выбрасывают большие дозы окиси азота (NOx) и твердых частиц по сравнению с бензиновыми или газолиновыми двигателями. Природоохранное законодательство, например экологический стандарт ЕВРО-4 Европейского Союза, определяет допустимые границы газообразных выбросов для автомобильных двигателей. Предложенный к рассмотрению экологический стандарт ЕВРО-5 в ближайшее время будет налагать жесткие ограничения на выбросы твердых частиц из дизельных двигателей.
Одним из способов повышения эффективности и снижения выбросов дизельных двигателей, то есть уменьшения выбросов NOx и твердых частиц, является замена дизельного топлива на газообразное, такое как, например, пропан (C8H8), метан (СН4) или природный газ (основным компонентом которого является метан). Под газообразным топливом подразумеваются такие виды топлива, которые являются газом при нормальной температуре и нормальном атмосферном давлении. Для хранения и/или при подаче в двигатель они могут быть сжижены.
Метан имеет простое химическое строение: каждая его молекула имеет один атом углерода, окруженный четырьмя атомами водорода. Напротив, традиционные виды топлива, такие как дизельное и бензиновое, имеют более сложные химические составы, содержащие соединения более длинных цепочек углеводородов. Кроме того, традиционные виды топлива содержат большие количественные соотношения углерода, серы и азота и не выгорают с такой степенью чистоты, как газообразные виды топлива. Метан в качестве топлива не образует больших доз выбросов или твердых частиц.
Помимо более чистого сгорания газообразные виды топлива, такие как метан, имеют преимущество, состоящее в том, что их запасы сравнительно большие, и они более равномерно распределены на планете по сравнению с нефтяными запасами.
Двигатели с дизельным циклом, которые были переведены на газообразное топливо, используются в течение ряда лет. Однако для перевода таких дизельных двигателей на газообразное топливо необходимо произвести значительные изменения.
Основная причина, по которой двигатели с дизельным циклом требуют модификации, состоит в том, что топливо воспламеняется и сгорает внутри двигателя. В обычном дизельном двигателе самовоспламенение дизельного топлива происходит при его впрыскивании в цилиндр, в котором воздух сжат до определенных значений давления и температуры. Обычно это происходит при температуре выше 500°С и давлении свыше 45 бар. Однако такие газы, как метан и пропан, требуют значительно более высоких значений температур и давления, чем те значения, которые необходимы для обеспечения устойчивого самовоспламенения.
Для использования газообразных видов топлива в транспортных средствах, которые обычно работают на дизельном топливе, например, в городских автобусах, можно преобразовать дизельные двигатели в двигатели электрического зажигания путем установки свечей зажигания и систем зажигания и уменьшения коэффициента сжатия примерно до соотношения 15:1. Уменьшение коэффициента сжатия требуется для того, чтобы предотвратить работу двигателя с детонацией. Однако результатом такого преобразования является обычный двигатель карбюраторного типа, и, таким образом, теряются преимущества в к.п.д., которые характерны для двигателей с дизельным циклом.
Другой способ перевода дизельного двигателя на газообразное топливо состоит в переводе двигателя на пусковой впрыск. В обычном двигателе, использующем пусковое топливо, воздух сжимают, и газ впрыскивают в сжатый воздух через инжектор в конце такта сжатия. Второй инжектор вводит пусковое топливо в камеру сгорания. Давление и температура внутри камеры являются достаточными для обеспечения самовоспламенения пускового топлива, которое в свою очередь воспламеняет газо-воздушную смесь.
Процесс горения в двигателе данного типа является по существу многоэтапным процессом, который требует смешивания воздуха и топлива внутри или снаружи цилиндра, сжатия и впрыска пускового топлива, зажигания топлива, а затем горения.
Дизельные двигатели данного типа требуют наличия двух отдельных инжекторов (один для газа и один для пускового топлива) в сочетании со смешанной системой зажигания. Более того, вспомогательное оборудование, которое необходимо установить рядом с двигателем для подачи двух видов топлива в каждый инжектор, делает двигатель значительно более сложным и дорогостоящим по сравнению с обычным дизельным двигателем.
Поэтому необходим двигатель с дизельным циклом, который работает на газообразном топливе, но при этом не требует сложного или крупногабаритного инжектора или системы зажигания. Более того, необходим двигатель с дизельным циклом, который способен работать с обеспечением соответствия запланированным показателям по выбросам твердых частиц.
Например, в международной публикации WO 01/83646 описано сжиженное газообразное топливо, предназначенное для использования в двигателях с воспламенением от сжатия, которое позволяет снижать выбросы путем применения сжиженного нефтяного газового топлива (LPG). Несмотря на то что эти виды топлива имеют некоторые преимущества в показателях выбросов, они не позволяют получать пользу из преимуществ, которые можно получать путем применения других видов газообразного топлива.
С точки зрения первого аспекта данное изобретение предлагает двигатель с воспламенением от сжатия, выполненный с возможностью работы с использованием смеси газа, основу которого составляет метан, и инициатора зажигания, причем смесь впрыскивается в камеру сгорания двигателя.
Предпочтительно, указанный двигатель с воспламенением от сжатия является двигателем с дизельным циклом.
Выражение «газ, основу которого составляет метан», используемое в данном документе, означает ссылку на вещество, которое является газообразным при нормальной температуре и нормальном атмосферном давлении и содержит большую долю метана. Большая доля метана означает содержание метана, как правило, выше 70%, более предпочтительно - выше 80%, а наиболее предпочтительно - выше 90%. Еще более предпочтительно, чтобы газ, основу которого составляет метан, являлся природным газом, который представляет собой обычное топливо по причинам, описанным выше.
Практически невозможно сжижать газы с высокой долей метана, и поэтому газ может подаваться в двигатель под давлением в сверхкритическом состоянии.
Газ, основу которого составляет метан, и инициатор зажигания подаются в двигатель как одно предварительно смешанное топливо, содержащее в пропорции сжиженный или находящийся под высоким давлением газ и инициатор зажигания. Инициатор зажигания может находиться внутри газа во взвешенном состоянии в виде тумана.
Газ может быть любым пригодным углеводородным газом, содержащим метан. Газ также может содержать другие газы, такие как этан, пропан, бутан или любую их смесь. Кроме того, пригодны газовые смеси, содержащие смесь других газов.
Инициатор зажигания топлива (который может являться присадкой, улучшающей зажигание) дает возможность воспламенять смесь в камере сгорания под действием температуры и давления в цилиндре, как в обычном дизельном двигателе. С помощью изобретения решают проблему известных двигателей, работающих с пусковым топливом. На каждый цилиндр нужен всего лишь отдельный инжектор, и зажигание становится более эффективным. Данное изобретение позволяет без труда перевести устаревшие дизельные двигатели, установленные в автобусах и грузовых автомобилях, на жидкие и газообразные природные виды топлива.
В качестве инициатора зажигания можно использовать разнообразные вещества, которые будут воспламеняться в камере сгорания, например, таким веществом может быть обычное дизельное топливо. Его предпочтительно выбирают для образования свободных радикалов при повышенных температурах в камере сгорания двигателя, что ускоряет окисление топлива и вызывает зажигание.
Инициатор зажигания предпочтительно содержит цетановую присадку, которая повышает цетановое число топлива. Цетановое число топлива является хорошо известным показателем периода задержки между впрыскиванием топлива в камеру сгорания и зажиганием топлива. Более высокое цетановое число означает более короткий период задержки между впрыскиванием и зажиганием, что желательно для двигателя с дизельным циклом. Как правило, традиционное дизельное топливо содержит цетановую присадку.
Цетановые числа и их вычисления описаны во втором издании Справочника по видам топлива для двигателей внутреннего сгорания («Automotive Fuels Reference Book - Second Edition»), опубликованном Корпорацией Общества Автомехаников ("Society of Automotive Engineers, Inc."), и в издании «Руководство по работе с топливом - причины и способы устранения эксплуатационных проблем» («Fuel Field Manual - Sources and Solutions to Performance Problems»), опубликованном McGraw-Hill.
Вид и доля цетановой присадки в инициаторе зажигания предпочтительно выбираются для повышения цетанового числа инициатора зажигания до значения выше 60, а более предпочтительно до значения выше 70. Однако нет никакого смысла в том, чтобы цетановое число было больше 80. Таким образом, наиболее предпочтительно, если цетановое число топлива находится в пределах от 70 до 80.
Следует отметить, что соотношение цетановой присадки к газу, необходимое для получения заданного цетанового числа, будет зависеть от конкретно выбранных цетановой присадки и газа.
Инициатор зажигания может являться чистой цетановой присадкой или в альтернативном варианте он может содержать жидкость-носитель, в которую подмешана цетановая присадка, как в случае дизельного топлива, о котором упоминается выше. Предпочтительно, чтобы цетановая присадка обладала свойством смешиваемости с носителем.
Использование носителя способствует дозированию инициатора зажигания, которое может потребоваться в двигателе для смешивания инициатора зажигания с газом в правильной пропорции.
Жидкость-носитель и цетановая присадка предпочтительно могут подаваться в двигатель с использованием обычного топливного насоса дизельного двигателя.
Жидкостью-носителем может быть, например, синтетическое топливо с высоким цетановым числом - "газ в жидкость" (GTL), ДМЭ (диметиловый эфир), сложные метиловые эфиры жирных кислот (FAME, например, RME), керосин или газолин. Предпочтительно, жидкость-носитель представляет собой обычное дизельное топливо. Таким образом, дизельное топливо может содержать стандартное количество цетановой присадки или для получения указанного предпочтительного значения цетанового числа дизельное топливо может содержать повышенное количество цетановой присадки.
Инициатор зажигания может представлять собой любую смесь алканов и алкенов. Инициатор зажигания может представлять собой по меньшей мере одно из таких химических соединений, которые содержат, по меньшей мере, от 5 до 25 атомов углерода и молекулярный вес которых составляет от 70 до 350 единиц атомной массы. В альтернативном варианте инициатор зажигания может представлять собой моноэфир или диэфир, молекулярный вес которых составляет от 40 до 350 единиц атомной массы.
Кроме того, плотность инициатора зажигания может составлять (при 15°С) от 600 до 845 кг/м3, температура кипения - от -30°С до 360°С, а цетановое число - от 50 до 80.
Инициатором зажигания может быть, например, ДМЭ (диметиловый эфир) или синтетическое топливо с высоким цетановым числом - "газ в жидкость" (GTL), которые имеют приведенные ниже (примерные) характеристики:
| ДМЭ | "газ в жидкость" (GTL) | |
| Плотность (кг/м3 при 15°С) | 670 | 770 -778 |
| Температура кипения, °С | -24,6 | 170 (начальная точка кипения) |
| Цетановое число | >55 | >74 |
| Молекулярный вес (единицы атомной массы) | 46,07 | 70-350 |
| Содержание серы | <1 части на миллион | |
| Вязкость (при 40°С) | 2,1 cSt (мм2/c) | |
| Содержание ароматических веществ | <1% вес.ч. |
Могут использоваться цетановые присадки, которые содержат такие алкил- и/или арил-нитраты, как амилнитрат, изопропилнитрат, гексилнитрат, циклогексилнитрат, два-этилгексилнитрат и октилнитрат.Кроме того, следует отметить, что в данном изобретении могут использоваться другие возможные цетановые присадки.
В топливо также могут быть добавлены другие присадки. Например, присадки, служащие для улучшения смазочных свойств топлива и для очищения двигателя.
Дополнительные присадки предпочтительно выбираются с обеспечением минимизирования любого увеличения выбросов NOx или выбросов твердых частиц во время сгорания. К тому же дополнительные присадки предпочтительно выбираются с обеспечением способности смешиваться с находящимся под давлением или сжиженным газом и обычным дизельным топливом.
Если газ, основу которого составляет метан, используется в сочетании с дизельным топливом в качестве инициатора зажигания, то топливо предпочтительно подается (а более предпочтительно также хранится) при повышенном давлении для улучшения растворимости дизельного топлива в газе и для предотвращения разделения газа и инициатора зажигания. Предпочтительно газ подается под давлением свыше 500 бар. Более предпочтительно, газ подается под давлением свыше 600 бар. Газ предпочтительно подается, а более предпочтительно также и хранится при температуре от 0°С до 100°С.
Установлено, что при таких давлениях обычное дизельное топливо легко смешивается с газом с обеспечением однородности топлива, предназначенного для впрыска в двигатель.
Более того, в топливо могут входить присадки, улучшающие горение, такие как, например, металлоорганические соединения (например, металлоорганические соединения, содержащие барий, кальций, магний, церий и железо).
С точки зрения второго аспекта изобретение, описанное в данном документе, предлагает способ работы двигателя с воспламенением от сжатия, использующего топливо, основу которого составляет газ; причем в этом способе газ, содержащий метан, смешивают с инициатором зажигания и подают в камеру сгорания указанного двигателя.
В способе предпочтительно используют предпочтительный инициатор зажигания и/или присадки, описанные выше.
С точки зрения еще одного аспекта изобретение, описанное в данном документе, предлагает топливо, пригодное для подачи в камеру сгорания двигателя с воспламенением от сжатия, которое содержит смесь газа, основу которого составляет метан, и инициатора зажигания.
В способе предпочтительно используют предпочтительный инициатор зажигания и/или присадки, описанные выше.
С точки зрения следующего аспекта изобретение, описанное в данном документе, предлагает способ изготовления пригодного для использования в двигателе с воспламенением от сжатия топлива, основу которого составляет сжиженный газ или газ, находящийся под давлением, при этом способ включает:
(a) сжижение углеводородного газа, содержащего метан, или воздействие на него высоким давлением,
(b) смешивание некоторого количества инициатора зажигания с указанным сжиженным или находящимся под давлением углеводородным газом.
Если используют газ с высоким процентным содержанием метана, газ может находиться в сверхкритическом состоянии при перемешивании с инициатором зажигания.
Топливо может быть предварительно смешано в большом количестве и храниться, например, в одном топливном баке или резервуаре, сообщающемся с двигателем. При сжижении газа бак или резервуар должны быть подвергнуты воздействию давления, которое выше, чем давление сжижения газа, с обеспечением предотвращения разделения инициатора зажигания и газа перед впрыскиванием в камеру сгорания.
В альтернативном варианте газ и инициатор зажигания могут храниться в отдельных баках и смешиваться или объединяться перед подачей в двигатель. В такой конструкции газ и инициатор зажигания предпочтительно смешивают непосредственно перед введением в камеру сгорания двигателя. Наиболее предпочтительно, инициатор зажигания смешивают с газом внутри топливного инжектора.
Таким образом, с точки зрения следующего аспекта изобретение, описанное в данном документе, предлагает узел топливного инжектора, который предназначен для двигателя с воспламенением от сжатия и в котором топливный инжектор выполнен с возможностью подачи в него первого топливного компонента в виде сжиженного или находящегося под давлением газа и второго топливного компонента в виде инициатора зажигания, при этом указанные первый и второй топливные компоненты смешиваются вместе в узле инжектора перед впрыскиванием в камеру сгорания указанного двигателя.
Газообразное топливо может представлять собой топливо, основу которого составляет метан, как описано выше, но это также может быть и пропан, сжиженный нефтяной газ или другие известные топливные газы.
Термин «узел инжектора» может относиться к самому топливному инжектору, к присоединенным к нему деталям, а также к любому присоединенному к нему смесительному устройству, предназначенному для смешивания топлива и его последующей подачи в топливный инжектор.
Следует отметить, что два топливных компонента могут быть легко смешаны не только в самом инжекторе, но и в любой части инжекторной системы. Например, топливо может смешиваться в отдельном топливно-смесительном узле или устройстве или в трубопроводной части системы подачи топлива.
Смешивание может происходить на любом участке системы подачи топлива и рядом с топливным инжектором, но предпочтительно, чтобы смешивание происходило непосредственно перед впрыскиванием в камеру сгорания. Это предотвращает разделение топливных компонентов и, таким образом, обеспечивает однородность топлива в камере сгорания. Это особенно выгодно, когда топливо находится под давлением, а не в сжиженном виде, например, при использовании метана. Однако это одинаково применимо к другим видам топлива, о которых упоминается выше, таким как пропан или сжиженный нефтяной газ.
Наиболее предпочтительно, чтобы в конструкции, где используются два бака или резервуара, процентные содержания газа и инициатора зажигания могли бы меняться. Например, баки или резервуары могут содержать регулировочные клапаны, предназначенные для регулирования процентного содержания инициатора зажигания, смешанного с газом, в соответствии с рабочими режимами двигателя.
Отношение количества инициатора зажигания к количеству газа можно регулировать в соответствии с рабочими режимами двигателя, например, такими как температура в воздухозаборнике двигателя, предельные значения выбросов газообразных загрязнений двигателя, нагрузка двигателя или потребление топлива. Следует отметить, что требуемое процентное содержание инициатора зажигания может зависеть от изменения рабочих режимов двигателя.
При использовании предварительного смешанного топлива его можно вводить в камеру сгорания или камеры сгорания, используя обычную систему подачи топлива. Например, для работы с предварительно смешанным топливом каждая камера сгорания может содержать топливный инжектор с отдельным подводом топлива.
При смешивании топлива в узле топливного инжектора каждый инжектор камеры сгорания может содержать первый подвод для сжиженного или находящегося под давлением газа и второй подвод для инициатора зажигания и, кроме того, может быть выполнен с обеспечением смешивания газа и инициатора зажигания перед впрыскиванием в камеру.
Предпочтительно, чтобы топливо вводилось в камеру (камеры) сгорания, используя систему подачи топлива с общим каналом в сочетании с топливными инжекторами.
Топливо может подаваться в общий канал в качестве предварительно смешанного топлива, или в альтернативном варианте компоненты топлива могут смешиваться в общем канале и/или вблизи него.
Например, общий канал может быть выполнен с одним или несколькими отверстиями по его длине, предназначенными для впуска инициатора зажигания, и с отверстием для впуска сжиженного (или находящегося под давлением) газа, расположенным в конце канала. Следует отметить, что возможно различное расположение отверстий для впуска инициатора зажигания и газа в общем канале системы подачи топлива.
С точки зрения еще одного аспекта изобретение, описанное в данном документе, предлагает систему подачи топлива, предназначенную для двигателя с воспламенением от сжатия, в которой сжиженный или находящийся под давлением газ, основу которого составляет метан и который содержит инициатор зажигания, подается в двигатель по общему топливному каналу.
С точки зрения следующего аспекта изобретение, описанное в данном документе, предлагает узел топливного инжектора, содержащий топливный инжектор и отдельный топливно-смесительный блок, в который поступают первый топливный компонент в виде сжиженного или находящегося под давлением газа и второй топливный компонент в виде инициатора зажигания и который смешивает эти топливные компоненты и подает смешанное топливо в инжектор.
Варианты выполнения данного изобретения описаны ниже с помощью примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает первый вариант выполнения изобретения с одним источником топлива;
Фиг.2 изображает предпочтительный вариант выполнения изобретения с источниками топлива, предназначенными для каждого отдельного компонента;
Фиг.3А и фиг.3В изображают системы подачи топлива с общим каналом в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения;
Фиг.4 изображает гидравлический инжектор, предназначенный для впрыскивания газообразного топлива, описанного в данном документе, в камеру сгорания.
На фиг.1 изображен двигатель 1 с дизельным циклом, предназначенный для работы в соответствии с первым вариантом выполнения данного изобретения. Это расположение почти соответствует обычному расположению системы подачи топлива в дизельном двигателе.
Двигатель 1 с дизельным циклом, представленный на фиг.1, предназначен для приведения в действие нагрузки 2, которая может являться, например, коробкой передач автомобиля или установкой по выработке электроэнергии.
В резервуаре 4 хранится под давлением топливо, являющееся газом при нормальной температуре и нормальном давлении, под воздействием поршня 5. Резервуар проточно сообщается с топливным насосом 7 через трубопровод 6. Топливный насос 7 получает сигналы управления от линии 8 управления и проточно сообщается с топливными инжекторами 9, 10, 11, 12 через трубопроводы 13, 14, 15, 16. Топливные инжекторы 9, 10, 11 и 12 по отдельности осуществляют впрыскивание топлива в соответствующие камеры сгорания (не показаны), расположенные в двигателе 1. Двигатель 1 присоединен к нагрузке 2 через соединительное звено (не показано).
Газообразное топливо подвергают воздействию давления или сжижают и смешивают с инициатором зажигания в топливно-смесительной установке (не показана). Предварительно смешанное топливо 3 подают в резервуар 4 для хранения топлива, в котором топливо находится под давлением или в сжиженном состоянии за счет использования избыточного давления, создаваемого поршнем 5.
Топливо накачивают в двигатель из резервуара 4 по топливопроводу 6 с помощью топливного насоса 7. Для подачи топлива в двигатель, насос 7 регулируется в ответ на сигналы управления, поступающие по линии 8 от машиниста. Каждый цилиндр двигателя имеет инжектор 9, 10, 11, 12, который получает топливо от насоса 7 по топливопроводам соответственно 13, 14, 15, 16.
В данном варианте выполнения топливо хранят в одном баке для хранения топлива и подают в инжекторы двигателя из одного источника 4, в котором находится предварительно перемешанная смесь. Двигатель с дизельным циклом обычным образом работает с топливом, впрыскиваемым в камеру сгорания обычным способом. Предварительно смешанное топливо при впрыскивании в камеру сгорания воспламеняется. Инициатор зажигания, который подмешан в газообразное топливо, образует при повышенных температурах внутри камеры сгорания свободные радикалы, которые ускоряют окисление топлива и тем самым инициируют горение воздушной/газовой смеси.
На фиг.2 изображен предпочтительный вариант выполнения данного изобретения, в котором два топливных компонента хранятся отдельно.
Находящийся под давлением газ хранится в резервуаре 201, который проточно сообщается с топливным насосом 207. Топливный насос 207 принимает сигналы управления от устройства 209 управления и в свою очередь проточно сообщается с топливным инжектором 206. Инициатор 204 зажигания хранится в баке 205, который проточно сообщается с насосом 208, принимающим сигналы управления от устройства 209 управления. Насос 208 также проточно сообщается с инжектором 206, который предназначен для впрыскивания топлива в камеру сгорания двигателя 1 (не показана).
Резервуар 201 содержит газ 202, находящийся под давлением или в сжиженном виде за счет воздействия поршня 203. Инициатор 204 зажигания содержится в баке 205. Если инициатор 204 зажигания является жидкостью при нормальной температуре и нормальном давлении, то бак 205 может не быть герметичным.
Однако, если инициатор зажигания при нормальной температуре и нормальном давлении находится в газообразном состоянии, его хранят в герметичном баке 205.
Газ и инициатор зажигания подают в инжектор 206 двигателя (показан только один инжектор) соответственно через насосы 207 и 208, которые принимают сигналы управления от узла 209 управления топливом.
Узел 209 получает сигналы управления, а также показатели рабочих параметров двигателя от машиниста по линии 210 управления. Узел 209 регулирует соотношение газа и инициатора зажигания в зависимости от режима работы и нагрузки двигателя. Например, на холоде или при пуске двигателя может потребоваться более высокое процентное содержание инициатора зажигания для достижения заданной выходной мощности двигателя. После прогрева двигателя узел 209 может управлять насосом 208 для уменьшения доли инициатора зажигания, подаваемого в инжектор 206.
В данном варианте выполнения инжектор 206 предназначен для приема двух компонентов топлива и для введения их одновременно в камеру сгорания. Два компонента смешивают в инжекторе непосредственно перед впрыскиванием в камеру сгорания, тем самым обеспечивая однородное рассеивание инициатора зажигания в газе, находящемся под давлением, или в сжиженном газе.
На фиг.3А и фиг.3В представлен предпочтительный вариант выполнения системы впрыскивания топлива.
Фиг.3А изображает систему подачи топлива с общим каналом, которую можно использовать вместо линий подачи топлива, соединяющих инжекторы с топливными насосами, как показано на фиг.1 и 2.
Система подачи топлива с общим каналом заменяет обычные топливные насосы, которые имеют выход для топлива для каждой камеры сгорания. В системе подачи топлива с общим каналом топливный насос подает топливо, находящееся под большим давлением, в одну трубу или канал. Каждый инжектор двигателя проточно сообщается с общим источником высокого давления или каналом, а не непосредственно отдельно с топливным насосом.
Общий канал 301, представленный на фиг.3А, имеет соединения 302, 303, 304, которые передают топливо от общего канала 301 в каждый из отдельных инжекторов двигателя (не показаны). Топливо подают в общий канал при таком давлении, что весь канал находится под общим давлением 450 бар. На фиг.3А показано, что компоненты топлива (находящийся под давлением или сжиженный газ и инициатор зажигания) смешивают вместе перед подачей в общий канал с помощью топливного насоса общего канала (не показан). В данной конструкции топливо может подаваться от общего источника, в котором находится предварительно смешанное топливо, как показано на фиг.1, или в другом варианте два компонента могут смешиваться вместе непосредственно перед подачей в общий канал 301. В ходе работы смешанное топливо выпускают в каждую из камер сгорания по соединениям 302-304, которые проточно сообщаются с соответствующими инжекторами.
Фиг.3В представляет другой вариант выполнения общего канала, в котором находящийся под давлением или сжиженный газ вводится в торец канала 305. Инициатор зажигания вводят в канал через впускные отверстия 306, 307, 308, расположенные по его длине. В этом варианте выполнения инициатор зажигания и находящийся под давлением или сжиженный газ смешивают в канале перед ведением в камеры сгорания.
Вариант выполнения, изображенный на фиг.3А, предназначен для конструкции, представленной на фиг.1, в которой используется предварительно смешанное топливо, которое можно подавать к инжекторам от насоса 7 через общий канал. Аналогично вариант выполнения, изображенный на фиг.3В, предназначен для конструкции, представленной на фиг.2, в которой используются отдельные топливные компоненты и в которой газовый резервуар 201 может быть соединен с общим каналом в месте 309, а бак 205 может быть соединен с каналом в месте 310.
Использование системы с общим каналом, показанной на фиг.3А и 3В, дает чрезвычайно хорошие результаты в данном изобретении, в котором топливо должно сохраняться при повышенном давлении.
На фиг.4 изображен гидравлический инжектор, предназначенный для впрыскивания газообразного топлива в камеру сгорания в вариантах выполнения, описанных выше. Следует принять во внимание, что инжектор, изображенный на фиг.4, предназначен для впрыскивания находящегося под давлением или сжиженного газа в камеру сгорания.
Гидравлический инжектор 401 установлен в узле двигателя обычным способом, который хорошо знаком специалистам в данной области техники.
Наконечник 402 гидравлического инжектора 401 расположен внутри камеры сгорания двигателя и предназначен для выброса некоторого количества топлива непосредственно в камеру сгорания.
Игла 403 инжектора выполнена с обеспечением уплотнения отверстия, выполненного в наконечнике инжектора. Игла механически соединена с поршнем инжектора посредством стержня 405. Поршень 404, стержень 405 и игла 403 поджимаются по направлению к наконечнику пружиной 406, оказывающей воздействие на стопорную гайку 407. Пружина оказывает воздействие на поршень 404 с обеспечением возможности поджатия иглы в направлении к наконечнику в канал, расположенный в нем, уплотняя тем самым наконечник и предотвращая поступление жидкости или газа в инжектор или вытекание жидкости или газа из него.
Инжектор выполнен с управляемым сервораспределителем (не показан), который принимает сигналы управления от устройства управления двигателем (ECU). Сервораспределитель подает «импульс» масла, находящегося под высоким давлением, или сигнал в соединение 408, представленное на фиг.4, в ответ на прием от устройства управления двигателем (ECU) сигнала управления «впрыск».
Как показано на фиг.4, соединение 408 проточно сообщается с камерой, расположенной в нижней части инжекторного поршня 404. В ходе работы в соединение подают импульс в ответ на сигнал управления, полученный от устройства управления двигателем. Импульс вызывает перемещение поршня против силы поджатия пружины 406 и тем самым поднимает стержень 405 и иглу 403 с обеспечением создания канала, через который топливо может протекать в камеру сгорания.
Как показано на фиг.1, топливо подают в инжектор 401 из герметичного бака. Подача может осуществляться непосредственно от топливного насоса, как показано на фиг.1, или в другом варианте из общего канала, как показано на фиг.3А и 3В.
Находящееся под давлением или жидкое топливо подают в инжектор через окно 409 для впуска топлива. Окно 409 соединено с наконечником инжектора посредством канала 410, который обеспечивает подачу находящегося под давлением или жидкого топлива в инжекторный наконечник и иглу.
Давление, необходимое для открытия инжектора, можно регулировать путем регулирования гайки 407, которая сжимает пружину 406.
Пружина действует с обеспечением удержания инжектора обычно в закрытом состоянии, что препятствует утечке топлива в камеру и предотвращает поступление в инжектор выхлопных газов, образующихся в результате сгорания.
В ходе работы сигнал управления подается из устройства управления двигателем (не показано) в сервораспределитель. Сервораспределитель повышает давление в камере под поршнем инжектора для его подъема против усилия пружины инжектора. Игла поднимается за счет перемещения поршня, и поток или «струя» топлива выпускается в камеру сгорания. После этого регулируют сервораспределитель, чтобы снять давление от поршня, и пружина закрывает иглу. Эта последовательность повторяется для каждого цикла сгорания в двигателе.
Использование гидравлического инжектора позволяет точно выпускать в камеру сгорания топливо, находящееся под высоким давлением.
Инжекторы (и система подачи топлива) могут быть обеспечены средствами возврата избыточного топлива обратно в бак или баки для хранения. Избыточное топливо может образоваться в результате утечек внутри инжектора. В этом случае состав (то есть процентное соотношение газа и инициатора зажигания и/или другой добавки (добавок)) топлива в баке или баках можно менять. В таком случае устройство управления двигателем может производить корректировку смешивания топлива для того, чтобы компенсировать изменение состава топливной смеси, которая хранится в баке (баках). Устройство управления двигателем может быть выполнено с датчиками, определяющими состав топлива в баке (баках), которые могут использоваться для корректировки смешивания в соответствии с впрыскиванием в двигатель. Например, устройство управления двигателем может уменьшать количество присадки, улучшающей зажигание, добавленной в газ, подаваемый в инжектор, по мере того как в баке (баках) повышается доля указанной присадки.
Следует принять во внимание, что данное изобретение можно применять в любом устройстве, в котором используются обычный двигатель с дизельным циклом, таком как, например, грузовые и легковые автомобили, морские суда и тому подобное. Кроме того, изобретение можно применять при стационарном использовании двигателей внутреннего сгорания; примером такого использования являются генераторы или комбинированные нагревательные и силовые установки, где можно добиться высоких показателей экономии топлива путем использования сжиженного или находящегося под давлением газообразного топлива, описанного в данном документе.
В описанных выше вариантах выполнения топливо может храниться в баках в газообразном или жидком состоянии, если нет других специальных указаний. В случае когда газ является сжиженным нефтяным газом (LPG), его предпочтительно хранят в жидком состоянии, уменьшая, таким образом, объем необходимых баков. В том случае, когда газ содержит значительную долю метана, как, например, природный газ, его обычно хранят в газообразном состоянии, и он может быть сверхкритическим. В каждом случае обеспечивают соответствующие резервуары для хранения.
1. Двигатель с воспламенением от сжатия, предназначенный для работы с использованием смеси топливного газа и инициатора зажигания, содержащий систему подачи топлива, в которую из одного бака подается сжиженный или находящийся под давлением топливный газ, и из другого бака подается сжиженный или находящийся под давлением инициатор зажигания, и в которой указанный газ и указанный инициатор смешиваются для получения сжиженного или находящегося под давлением смешанного топлива, при этом двигатель также содержит инжектор для подачи в него указного смешанного топлива и впрыскивания его в камеру сгорания двигателя.
2. Двигатель по п.1, в котором топливный газ является газом, основу которого составляет метан.
3. Двигатель по п.2, в котором газ, основу которого составляет метан, является природным газом.
4. Двигатель по п.1, который является двигателем с дизельным циклом.
5. Двигатель по любому из пп.1-4, в котором инициатор зажигания содержит дизельное топливо.
6. Способ работы двигателя с воспламенением от сжатия, работающего на топливном газе, причем указанный сжиженный или находящийся под давлением газ из одного бака смешивают с инициатором зажигания из другого бака в системе подачи топлива двигателя для получения сжиженного или находящегося под давлением смешанного топлива, после чего смешанное топливо подают в инжектор, а инжектор впрыскивает смешанное топливо в камеру сгорания с воспламенением от сжатия.
7. Способ по п.6, в котором топливный газ является газом, основу которого составляет метан.
8. Способ по п.7, в котором газ, основу которого составляет метан, является природным газом.
9. Способ по п.6, в котором инициатор зажигания содержит дизельное топливо.
10. Способ по любому из пп.6-9, в котором топливный газ и инициатор зажигания смешивают в системе подачи топлива с общим каналом.
11. Топливо, пригодное для подачи в инжектор двигателя с воспламенением от сжатия и содержащее смесь находящегося под давлением топливного газа и инициатора зажигания.
12. Топливо по п.11, в котором инициатор зажигания является дизельным топливом.
13. Топливо по п.11 или 12, в котором топливный газ, является газом, основу которого составляет метан.
14. Топливо по п.13, в котором газ, основу которого составляет метан, является природным газом.
15. Топливо по п.11, в котором инициатор зажигания дополнительно содержит присадку, улучшающую смазывающую способность.
16. Узел топливного инжектора, содержащий топливный инжектор и отдельный топливно-смесительный узел, причем в смесительный узел подается первый топливный компонент в виде сжиженного или находящегося под давлением газа из одного бака и второй топливный компонент в виде инициатора зажигания из другого бака, и этот смесительный узел смешивает первый и второй топливные компоненты для получения сжиженной или находящейся под давлением смеси и затем подает смешанное топливо в инжектор.
17. Узел по п.16, в котором инжектор представляет собой инжектор с гидравлическим приводом.
18. Система подачи топлива, которая предназначена для двигателя с воспламенением от сжатия и в, которой смесь сжиженного или находящегося под давлением топливного газа и инициатора зажигания подается в двигатель с использованием общего топливного канала, и в которой сжиженный или находящийся под давлением топливный газ подается из одного бака, сжиженный или находящийся под давлением инициатор зажигания подается из другого бака, и в которой сжиженные или находящиеся под давлением топливный газ и инициатор зажигания смешиваются в общем топливном канале для подачи в двигатель.
19. Система по п.18, в которой сжиженный или находящийся под давлением топливный газ смешивается с инициатором зажигания в общем топливном канале.
20. Система по пп.18 и 19, в которой топливный газ является газом, основу которого составляет метан.
21. Узел топливного инжектора по п.16, используемый вместе с двигателем с воспламенением от сжатия по любому из пп.1-5.
