Способ питания газопоршневого двигателя

Изобретение относится к газовым двигателям внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств, в частности маневровых тепловозов. Предложен способ питания ДВС, предусматривающий подачу природного газа в смесительную газовоздушную камеру 8, где газ смешивают с воздухом. Газовоздушную смесь подают из камеры 8 в камеры сгорания 1 и предкамеры 11 рабочих цилиндров и воспламеняют ее свечами зажигания 14. Во время переходных процессов повышения мощности ДВС дополнительно к подаче газовоздушной смеси осуществляют впрыск жидкого топлива в камеры сгорания рабочих цилиндров форсунками 16 синхронно с подачей электрического напряжения на свечи зажигания 14 газовоздушной смеси соответствующих рабочих цилиндров. Техническим результатом предлагаемого способа питания ДВС является увеличение приемистости двигателя во время переходных процессов повышения мощности и снижение расхода жидкого топлива. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к газопоршневым двигателям внутреннего сгорания транспортных средств, в частности маневровых тепловозов, использующим газовое топливо.

Известен способ питания газопоршневых двигателей, отличающийся добавкой к основному газовому топливу водорода, при котором водород, хранимый в жидком состоянии в криогенной емкости, подогревают за счет энергии системы охлаждения двигателя и смешивают с воздухом в камере смешения перед подачей в цилиндры. Благодаря высокой теплоте сгорания водорода переходные процессы приема нагрузки двигателем ускоряются (RU, патент № 2092700 C1, МПК F02B 43/00, F02M 21/02, 25/10, 1997).

Недостатком известного способа является повышение рисков, связанных с использованием водорода, образующего с воздухом взрывчатую смесь, а также существенное усложнение двигателя устройствами газификации и подачи водорода в цилиндры двигателя.

Известен способ питания поршневого двигателя внутреннего сгорания, который реализуется с помощью бензогазовой системы питания и обеспечивает возможность продолжительной работы на любом из трех видов топлива: «Бензин», «Газ», «Бензин + Газ», для чего двигатель снабжен трехпозиционным переключателем режимов работы двигателя и двумя дозаторами газа: одним для работы на газовом топливе и другим для работы на смеси бензина с газом. В последнем случае жидкое углеводородное топливо - бензин распыляют в воздушном коллекторе и подают в каналы крышек цилиндров двигателя вместе с потоком воздуха на всех режимах работы двигателя (RU, патент №52 115 U1, F02M 13/08, 2005).

Недостатком известного способа является то, что при работе на газовом топливе этот способ питания не улучшает приемистости двигателя, а также усложняет и удорожает конструкции двигателя трехвариантной системой питания в сравнении с системами питания как газовых, так и бензиновых двигателей.

Известен способ работы поршневых двигателей внутреннего сгорания при питании как газообразным, так и жидким топливом. Способ питания двигателя газовым топливом в данном случае предусматривает подачу в газовые каналы крышек цилиндров через газовоздушную смесительную камеру топливного газа с высоким цетановым числом (например, диметилэфира с цетановым числом 100) и топливного газа с низким цетановым числом (например, метана с цетановым числом не менее 15) в смеси с воздухом, причем при совместной подаче указанных газов регулируют соотношение их количеств. При работе на жидком топливе в камеры сгорания подают только дизельное топливо.

При работе на газовом топливе турбулизацию газовоздушной смеси осуществляют в смесительной камере, выход из которой сообщен с впускным трактом двигателя, включающим каналы крышек цилиндров, откуда газовоздушную смесь подают в камеры сгорания цилиндров двигателя. Способ обеспечивает возможность продолжительной работы двигателя или на газовом топливе, или на жидком топливе. Совмещение по времени подач газового и жидкого топлива не предусмотрено (RU, патент №2413854 С1, МПК F02B 69/04, F02D 19/08, F02M 21/04, 2009).

Недостатком вышеуказанного способа питания двигателя внутреннего сгорания при работе на газовом топливе является то, что самовоспламенение газового топлива и увеличение приемистости двигателя достигаются только при использовании газов с высоким цетановым числом, которые наиболее взрывоопасны. Это обстоятельство исключает использование более дешевого природного газа - метана, имеющего низкое цетановое число, усложняет и удорожает конструкцию и эксплуатацию двигателя ввиду необходимости иметь и транспортировать два вида газового топлива и устройства для их дозированного смешения. При работе двигателя на жидком топливе затраты на топливо возрастают, преимущества питания двигателя газовым топливом в отношении его экономичности и экологичности не реализуются.

Известен способ питания газопоршневого двигателя внутреннего сгорания типа 8ГЧН22/28 на газовом топливе. Топливный газ направляют в смесительную газовоздушную камеру, где смешивают с воздухом. Газовоздушную смесь направляют в камеры сгорания рабочих цилиндров двигателя, откуда часть газовоздушной смеси поступает в предкамеры. Газовоздушную смесь воспламеняют в предкамерах свечами зажигания, факелы пламени из предкамер воспламеняют газовоздушную смесь в основных камерах сгорания газопоршневого двигателя (Лимонов А.К., Сеземин А.В. Совершенствование рабочего процесса газового двигателя с форкамерно-факельным зажиганием. - Двигателестроение, №1 (251), 2013, с. 20-23).

Недостатком известного способа питания газопоршневого двигателя 8ГЧН22/28, приспособленного к работе на режиме постоянной мощности, характерном для двигателей, приводящих электрогенераторы, является низкая приемистость - медленное протекание процессов приема возрастающей нагрузки, что неприемлемо для двигателей транспортных средств, в частности для двигателей маневровых тепловозов, производительность которых возрастает с сокращением времени приема двигателем повышенной мощности, т.е. с повышением приемистости двигателя.

Известен способ питания газопоршневого (по терминологии патента - «комбинированного») двигателя, принятый за ближайший аналог, в котором газовоздушную смесь подают в камеры сгорания и предкамеры рабочих цилиндров, осуществляют воспламенение газовоздушной смеси в предкамерах свечами искрового зажигания и «приблизительно в то же время» впрыскивают в камеры сгорания рабочих цилиндров жидкое топливо, причем эти процессы совместной подачи и использования газового и жидкого топлива постоянно осуществляют на всех режимах работы двигателя (ЕР, патент №0957245, кл. F02B 19/12, опубл. 17.11. 1999).

Недостатком известного способа является то, что вместе с подачей газовоздушной смеси, на всех режимах работы газопоршневого двигателя осуществляют впрыск жидкого топлива в камеры сгорания цилиндров, в результате чего увеличивается расход жидкого топлива, повышается общая стоимость используемого топлива и возникает необходимость оборудовать двигатель емкостью жидкого топлива повышенных размеров.

Техническим результатом предлагаемого способа питания газопоршневого двигателя, работающего на природном газе как основном топливе, являются увеличение приемистости двигателя во время переходных процессов повышения мощности, повышение производительности двигателя и приводимых им машин, снижение расхода жидкого топлива, экономия общих затрат на топливо, уменьшение габаритов и веса емкости для жидкого топлива.

Указанный технический результат предлагаемого способа питания газопоршневого двигателя, работающего на природном газе - основном топливе, достигается тем, что природный газ - основное топливо - направляют в смесительную газовоздушную камеру, где смешивают с воздухом, откуда газовоздушную смесь подают в камеры сгорания, предкамеры рабочих цилиндров и воспламеняют свечами зажигания, причем во время переходных процессов повышения мощности газопоршневого двигателя осуществляют дополнительный впрыск жидкого топлива в камеры сгорания рабочих цилиндров синхронно с подачей электрического напряжения на свечи зажигания газовоздушной смеси соответствующих рабочих цилиндров.

Дополнительный впрыск жидкого топлива во время переходных процессов повышения мощности газопоршневого двигателя могут производить в камеры сгорания только части рабочих цилиндров газопоршневого двигателя.

Продолжительность цикла впрыска жидкого топлива в камеры сгорания рабочих цилиндров во время переходных процессов повышения мощности газопоршневого двигателя устанавливают равной времени поворота коленчатого вала газопоршневого двигателя на угол от 20 до 50°.

На чертеже показана конструктивная схема реализации способа питания газопоршневого двигателя.

Для реализации предложенного способа питния газопоршневого двигателя камера сгорания 1 рабочего цилиндра 2 газопоршневого двигателя, ограниченная днищем поршня 3, стенками втулки цилиндра 4 и днищем крышки 5 рабочего цилиндра 2, сообщена с емкостью природного газа (на чертеже не показана) через канал 6 впускных клапанов 7 крышки 5 рабочего цилиндра 2 и смесительную газовоздушную камеру 8, к которой присоединен газовый патрубок 9, соединенный с емкостью природного газа через электромагнитный газовый клапан 10.

Канал 6 впускных клапанов 7 сообщается с камерой сгорания 1 впускными клапанами 7 во время такта впуска в рабочий цилиндр 2 газовоздушной смеси (положение выпускных клапанов в крышке цилиндра 2 на чертеже не показано). Камера сгорания 1 рабочего цилиндра 2 снабжена предкамерой 11. Внутренний объем предкамеры 11 сообщен с камерой сгорания соплом 12. Предкамера 11 сообщена через канал 13 со смесительной газовоздушной камерой 8 (на чертеже не показано). В предкамере 11 установлена свеча зажигания 14.

В гнездо 15 крышки 5 рабочего цилиндра 2 помещен инжектор электромагнитный 16 подачи жидкого топлива с электромагнитным управлением, причем распылитель инжектора электромагнитного 16 открыт в полость камеры сгорания 1. К инжектору электромагнитному 16 присоединен трубопровод 17 жидкого топлива, соединенный с насосом 18 подачи жидкого топлива и емкостью жидкого топлива (на чертеже не показана).

Газопоршневой двигатель снабжен электронным блоком 19 управления подачей природного газа и искровым зажиганием газовоздушной смеси, имеющим задатчик мощности 20. Электронный блок 19 управления подачей природного газа и искровым зажиганием газовоздушной смеси электрически связан с электромагнитным газовым клапаном 10 проводами 21 и со свечой зажигания 14 проводами 22, а также с датчиком частоты вращения коленчатого вала или датчиком мощности газопоршневого двигателя (на чертеже не показаны).

Электронный блок 19 управления подачей природного газа и искровым зажиганием газовоздушной смеси электрически соединен с инжекторами электромагнитными 16 проводами 23 и 24 через нормально разокнутый контактор 25.

Предложенный способ питания газопоршневого двигателя осуществляют следующим образом.

При работе газопоршневого двигателя на любом постоянном режиме и на режимах уменьшения мощности с помощью действующего по заданному алгоритму электронного блока 19 управления подачей природного газа и искровым зажиганием газовоздушной смеси направляют природный газ через электромагнитные газовые клапаны 10 в смесительную газовоздушную камеру 8, где смешивают с воздухом, откуда газовоздушную смесь через впускные клапаны 7 подают в камеры сгорания 1 рабочих цилиндров 2 газопоршневого двигателя, часть газовоздушной смеси поступает в предкамеры 11 через каналы 13. Электронный блок 19 управления подачей природного газа и искровым зажиганием газовоздушной смеси в моменты, определяемые заданным алгоритмом работы, подает по проводам 22 электричекое напряжение на свечи зажигания 14 рабочих цилиндров 2. Свечами зажигания воспламеняют газовоздушную смесь в предкамерах 11, и давление, возникающее в предкамерах 11 вследствие горения газовоздушной смеси, выбрасывает в камеры сгорания 1 через сопла 12 факелы горящей газовоздушной смеси, которые воспламеняют газовоздушную смесь в камерах сгорания 1. Газовое давление в камерах сгорания 1 приводит в движение поршни 3 и коленчатый вал газопоршневого двигателя. При работе на всех вышеназванных режимах питание газопоршневого двигателя осуществляется только газовым топливом - природным газом.

При питании газопоршневого двигателя по предложенному способу во время переходных процессов повышения мощности, при которых должны интенсивно возрастать частота вращения коленчатого кола и мощность газопоршневого двигателя, в начале перемещения задатчика мощности 20 на позицию, соответствующую повышенной мощности, по сигналу задатчика мощности 20 через электронный блок управления 19 замыкают нормально разомкнутый контактор 25 и через провода 23 и 24 соединяют электромагнитные эжекторы 16 с электронным блоком 19 управления подачей природного газа и зажиганием газовоздушной смеси и подают электрическое напряжение на электромагнитные инжекторы 16 и, таким образом, начинают впрыск жидкого топлива электромагнитными эжекторами 16 в камеры горания 1 рабочих цилиндров 2 синхронно с подачей электрического напряжения на свечи 14 зажигания газовоздушной смеси соответствующих рабочих цилиндров 2.

Продолжительность цикла впрыска жидкого топлива в камеры сгорания 1 рабочих цилиндров 2 устанавливают равной времени поворота коленчатого вала газопоршневого двигателя на угол от 20 до 50°. Впрыск жидкого топлива производят в камеры сгорания 1 рабочих цилиндров 2 газопоршневого двигателя. Сгорание жидкого топлива в камерах сгорания 1 рабочих цилиндров 2 увеличивает тепловыделение и газовое давление в камерах сгорания 1 при рабочем ходе поршней 3 и этим ускоряет повышение частоты вращения коленчатого вала и сокращает время выхода газопоршневого двигателя на режим с заданной повышенной мощностью.

После выхода газопоршневого двигателя на режим с заданной повышенной мощностью по сигналу датчика частоты вращения коленчатого вала или датчика мощности (на чертеже не показаны) блок управления 19 размыкает контактор 25, чем прекращает подачу электрического напряжения на электромагнитные эжекторы 16 и впрыск жидкого топлива в камеры сгорания 1 рабочих цилиндров 2. Газопоршневой двигатель продолжает работу на постоянном режиме с достигнутой повышенной мощностью, частотой вращения, и на режимах снижения мощности, используя исключительно природный газ.

Подача жидкого топлива электромагнитными эжекторами 16 в камеры сгорания 1 рабочих цилиндров может производиться также для обеспечения работы газопоршневого двигателя в случае аварийного прекращения подачи природного газа или отказа системы зажигания.

Предложенный способ питания газопоршневого двигателя, использующего в качестве основного топлива природный газ, обеспечивает снижение расхода жидкого топлива и общую экономию затрат на топливо, повышение приемистости газопоршневого двигателя во время переходных процессов повышения мощности - сокращение времени приема повышенной нагрузки и связанное с этим повышение производительности двигателя и приводимых им машин, уменьшение габаритов и веса емкости жидкого топлива.

1. Способ питания газопоршневого двигателя, заключающийся в том, что природный газ направляют в смесительную газовоздушную камеру, где смешивают с воздухом, откуда газовоздушную смесь подают в камеры сгорания, предкамеры рабочих цилиндров и воспламеняют свечами зажигания, отличающийся тем, что во время переходных процессов повышения мощности газопоршневого двигателя осуществляют дополнительный впрыск жидкого топлива в камеры сгорания рабочих цилиндров синхронно с подачей электрического напряжения на свечи зажигания газовоздушной смеси соответствующих рабочих цилиндров.

2. Способ питания газопоршневого двигателя по п. 1, отличающийся тем, что продолжительность цикла дополнительного впрыска жидкого топлива в камеры сгорания рабочих цилиндров во время переходных процессов повышения мощности газопоршневого двигателя устанавливают равной времени поворота коленчатого вала газопоршневого двигателя на угол от 20 до 50°.

3. Способ питания газопоршневого двигателя по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный впрыск жидкого топлива во время переходных процессов повышения мощности газопоршневого двигателя производят в камеры сгорания части числа рабочих цилиндров газопоршневого двигателя.