ДВИГАТЕЛИ С ВЫСОКИМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ И МАЛЫМИ ВЫБРОСАМИ, МНОГОЦИЛИНДРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И СПОСОБЫ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ENGINES WITH HIGH PERFORMANCE CHARACTERISTICS AND LOW EMISSIONS, MULTI-CYLINDER ENGINES AND METHODS OF THEIR OPERATION

Перекрестная ссылка на родственную заявку
Эта заявка заявляет притязание на приоритет по заявке №60/793350 на временный патент США, поданной 20 апреля 2006 г., заявке №60/812330 на временный патент США, поданной 9 июня 2006 г., и заявке №60/819062 на временный патент США, поданной 7 июля 2006 г.
Предпосылки создания изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
1.
Настоящее изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, таких как дизельные двигатели, бензиновые двигатели и двигатели, предназначенные для работы на альтернативных топливах.
Предшествующий уровень техники
2.
Настоящее изобретение применимо к различным типам двигателей, включая дизельные двигатели, бензиновые двигатели и двигатели, предназначенные для работы на альтернативных топливах. Однако в целях специфики, о которой идет речь в данной заявке, предпочтительные варианты осуществления будут описаны сначала по отношению к дизельным двигателям, после чего будет описана применимость к двигателям других типов. Соответственно в данной заявке будет описан уровень техники по отношению к дизельным двигателям, причем понятно, что, вообще говоря, многие из характеристик описываемых здесь дизельных двигателей можно перенести на двигатели других типов.
x
Хорошо известно, что загрязняющие вещества, вырабатываемые дизельными двигателями, состоят, в первую очередь, из закисей азота (NO) и несгоревших углеводородов. Также хорошо известно, что закиси азота образуются выше некоторой конкретной температуры, или - что важнее для настоящего изобретения, не образуются ниже предела температуры образования закиси азота. Этот предел температуры достаточно высок по сравнению с температурой воспламенения дизельной топливовоздушной смеси, хотя в обычных дизельных двигателях локальные температуры внутри камеры сгорания по различным причинам зачастую превышают предел температуры образования закиси азота. С другой стороны, наличие несгоревших углеводородов в выхлопе дизельного двигателя обычно имеет две основных причины, а именно, во-первых, столкновение части струи впрыскиваемого топлива с относительно холодной поверхностью перед тем, как топливо получит возможность сгореть или, по меньшей мере, полностью сгореть, а во-вторых, локальный впрыск топлива в области камеры сгорания, где кислород присутствует в количествах, неадекватных для локального обеспечения сгорания всего впрыскиваемого топлива. Эта вторая причина, конечно, способствует нивелированию первой причины, поскольку топливо не может сгореть без адекватного количества кислорода.
В дизельном двигателе предпочтительно используется малый предварительный впрыск топлива, а основной впрыск топлива происходит чуть позже в верхней мертвой точке поршня в цилиндре или около нее. Когда поршень находится в своем крайнем верхнем положении или около своего крайнего верхнего положения, впрыскиваемая струя не должна быть направлена вниз на верхушку поршня, так как это вызывает большое содержание углеводородов в дизельном выхлопе, как описано выше, а также возможное повреждение двигателя. Вместе с тем, когда поршень движется от верхней мертвой точки, содержимое камеры сгорания расширяется, а центр этого содержимого в общем случае движется вниз со скоростью, равной половине скорости поршня. Соответственно продолжающееся впрыскивание топлива в направлении, подходящем для положения верхней мертвой точки поршня, является впрыскиванием топлива только в верхний слой, то есть слой воздуха в камере сгорания. Это имеет многие негативные эффекты. Концентрация топлива в этом ограниченном объеме может легко привести к локальным температурам, превышающим предел температуры образования закиси азота. Кроме того, кислород в этой ограниченной области камеры сгорания может расходоваться даже несмотря на адекватное количество кислорода ниже нее, что приводит к неполному сгоранию топлива и существенному содержанию углеводородов в выхлопе. Единственными мерами борьбы с этими эффектами в известных двигателях и способах эксплуатации являются попытки ограничить общий впрыск применительно к объему и содержанию кислорода в той части объема камеры сгорания, в которую впрыскивается топливо, чтобы тем самым наложить ограничение на механическую энергию, вырабатываемую во время такого цикла сгорания.
В одной известной форсунке используются сопла, разбрызгивающие в нескольких направлениях, при этом начальный впрыск имеет радиальную составляющую, являющуюся большей, чтобы облегчить надлежащий впрыск, когда поршень находится в верхней мертвой точке или около нее, и предусмотрен механический клапан, переключающий впрыскиваемый поток к впрыскивающим насадкам, больше выступающим по направлению к поршню, вследствие чего впрыскивание топлива может лучше соответствовать большинству количества остающегося кислорода, имеющегося для сгорания. Такая форсунка может иметь значимые преимущества, например, в стационарных двигателях, работающих под постоянной нагрузкой. Однако тот факт, что управление является механическим и имеет заранее заданные пределы, ограничивает гибкость применения этой форсунки в двигателях, таких как двигатели грузовых автомобилей и т.п., которые работают во всем относительно широком диапазоне скорости двигателя и очень широком диапазоне выходной мощности.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует эксплуатацию дизельного двигателя в четырехтактном режиме в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 иллюстрирует эксплуатацию дизельного двигателя в шеститактном режиме в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 иллюстрирует эксплуатацию дизельного двигателя в двухтактном режиме в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.4 приведено схематическое изображение шестицилиндрового двигателя, соответствующего варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5 приведено схематическое изображение головки двигателя, включающей в себя настоящее изобретение.
На фиг.6 представлено частичное сечение части головки двигателя, включающей в себя настоящее изобретение.
Фиг.7 схематически иллюстрирует возможные клапаны для двух цилиндров двигателя, причем правый цилиндр на этом чертеже используется для сжатия, а левый цилиндр используется в качестве цилиндра сгорания или силового цилиндра.
Фиг.8 иллюстрирует эксплуатацию двигателя в двухтактном режиме посредством графика зависимости температуры от положения поршня, причем различные точки на графике обозначены в соответствии с различными событиями во время эксплуатации двигателя.
На фиг.9 приведено схематическое сечение головки цилиндра в области цилиндра сгорания, показанного на фиг.7.
Фиг.10 иллюстрирует еще один режим эксплуатации двигателей в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.11 иллюстрирует систему управления, которую можно использовать вместе с вариантами осуществления настоящего изобретения.
x
На фиг.12 представлен график, демонстрирующий условия, при которых в двигателе образуются сажа и NO.
На фиг.13 представлен график, иллюстрирующий реальную эксплуатацию согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения по сравнению со стандартным циклом с воспламенением от сжатия (циклом Дизеля).
Фиг.14 иллюстрирует возможную систему управления для вариантов осуществления согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
В соответствии с описанием заявки №60/793350 на временный патент США, как топливо, так и воздух впрыскивают в камеру сгорания в течение, по меньшей мере, части основного впрыска топлива. Воздух предпочтительно впрыскивают в область, окружающую наконечник топливной форсунки, чтобы обеспечить подачу свежего воздуха, богатого кислородом, во время основного впрыска даже в случае, когда поршень движется от форсунки. Это может обеспечить более полное сгорание топлива, впрыскиваемого во время основного впрыска, и может дополнительно обеспечить впрыскивание и сгорание увеличенных количеств топлива на протяжении того же самого или большего угла поворота коленчатого вала, тем самым увеличивая выходную энергию цикла сгорания. Кроме того, за счет тщательного управления воздухом и, в частности, топливом, впрыскиваемым во время предварительного впрыска и основного впрыска, можно поддерживать температуры сгорания ниже предела температуры образования закиси азота.
Одним удобным способом достижения этой цели является измерение давления в камере сгорания, поскольку давление обеспечивает хороший показатель температуры внутри камеры сгорания. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения предварительный впрыск используют во время такта сжатия, предпочтительно - до того, как воздух в камере сгорания достигает температуры воспламенения, чтобы обеспечить надлежащее смешивание предварительно впрыскиваемого топлива и воздуха до воспламенения. Управление количеством топлива, используемым для предварительного впрыска, является таким, что температуры сгорания будут расти до некоторого уровня, не превышающего предел температуры образования закиси азота. Это показано в качестве примера на фиг.1, где иллюстрируется эксплуатация двигателя, работающего по четырехтактному циклу. Из фиг.1 можно заметить, что воспламенение происходит, по существу, в верхней мертвой точке (ВМТ) поршня. В предпочтительном варианте осуществления это достигается не только посредством управления объемом впрыска, но и использованием управляемой системы исполнительных клапанов двигателя, в частности исполнительной системы гидравлических клапанов, например, такой как описанная в патенте США №6739293, информация о котором приводится здесь для справок, за счет управления такими параметрами, как угол поворота коленчатого вала, при котором закрываются впускные клапаны, что обеспечивает эффективное управление достигаемой степенью сжатия, и угол поворота коленчатого вала, при котором происходит воспламенение. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления в цилиндре, как указывалось ранее, используется датчик давления, который обеспечивает коррекции от цикла к циклу при управлении впускным клапаном (впускными клапанами) и объемом впрыска для получения воспламенения в положении верхней мертвой точки, ВМТ, и для достижения желаемого увеличения температуры после этого до температуры, не превышающей предел температуры образования закиси азота. Как показано на фиг.1, после того, как температура в камерах сгорания достигает пиков и начинает уменьшаться при потреблении топлива в процессе предварительного впрыска, а поршень движется от положения верхней мертвой точки, температура, показанная на фиг.1, а также давление в камере сгорания начинают уменьшаться. Пока температура остается превышающей температуру воспламенения, основной впрыск топлива может происходить наряду с впрыском воздуха, предпочтительно - в зоне пика впрыска топлива в течение, по меньшей мере, части периода основного впрыска. В этой связи отметим, что на фиг.1 показан пологий участок графика температуры во время нагнетания воздуха и топлива, при этом впрыск топлива на самом деле может предусматривать многочисленные меньшие объемы впрыска при управлении моментами времени, длительностью и объемом нагнетания воздуха в соответствии с наилучшими эксплуатационными характеристиками при возникающих вследствие этого условиях эксплуатации двигателя, так что пологий участок, показанный на фиг.1, может и не быть плоским, а в общем случае будет четко ограничен в пределах диапазона между температурой воспламенения и пределом температуры образования закиси азота.
Следует отметить, что хотя в предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения используется приведение в действие посредством гидравлических клапанов двигателя, с тем же успехом можно применить и другие формы управляемого приведения в действие клапанов двигателя, такие как магнитное, пьезоэлектрическое и т.д. Настоящее изобретение также применимо к механическим клапанным исполнительным системам двигателей, при этом предполагается, что с их помощью можно получить наилучшие эксплуатационные характеристики посредством лучшего управления, по меньшей мере, синхронизацией клапанов двигателя, чем практически достижимое посредством механического управления клапанами двигателя.
Поскольку нагнетание воздуха и впрыскивание топлива происходят в течение, по меньшей мере, части основного впрыска во время рабочего такта поршня, можно впрыскивать увеличенные количества топлива на протяжении большего угла поворота коленчатого вала без образования закиси азота или избыточных углеводородов в выхлопе, вследствие чего обеспечивается увеличенная выходная механическая энергия для этого рабочего такта. Конечно, фиг.1 иллюстрирует два полных цикла, демонстрируя предварительный впрыск ПВ во время такта сжатия, схематическое представление такта расширения или рабочего такта, РАСШ, такта выпуска, ВЫП и последующего такта впуска, ВПУ, с присущим ему событием предварительного впрыска ПРЕ-ВПР.
Наличие способности управлять работой клапанов двигателя обеспечивает возможность изменять режим работы клапанов двигателя. В качестве примера, обращаясь к фиг.2, можно рассмотреть шеститактный режим эксплуатации, который может быть реализован для такого же двигателя, как показанный на фиг.1. В данном случае слева на рассматриваемом чертеже начинается такт сжатия и предварительного впрыска, при этом поршень находится в области нижней мертвой точки (НМТ), а рабочий такт или такт расширения, РАСШ, оказывается, по существу, таким, как показанный в качестве такта расширения, РАСШ, на фиг.1. Однако в нижней мертвой точке такта расширения или около нее впускной клапан или впускные клапаны для этого цилиндра моментально открываются по мере управления давлениями и температурами, достигаемыми во время повторного сжатия (ПОВТ-СЖАТ) той же порции в камере сгорания. Это управление используется для управления повторным воспламенением (ПОВТ-ВОС) несгоревших углеводородов в камере сгорания таким образом, чтобы оно происходило в верхней мертвой точке ВМТ или около нее. Количеством несгоревших углеводородов, появляющихся в результате первого такта сжатия, можно управлять посредством количества топлива, впрыскиваемого главным образом во время основного впрыска для этого такта, и конечно же предпочтительным является управление таким образом, что пиковая температура, достигаемая в цикле дожигания, также не превышает предела температуры образования закиси азота. Вместе с тем отметим, что из-за этого цикла дожигания в выхлопе после первого цикла сгорания легко могут оказаться допустимыми уровни несгоревших углеводородов, более высокие, чем те, при которых происходили бы выбросы в атмосферу после первого цикла сжигания. Это может обеспечить впрыск увеличенных количеств топлива на протяжении большего угла поворота коленчатого вала во время цикла основного сгорания, тем самым обеспечивая значительно большую механическую выходную энергию во время такого цикла расширения, и при этом - достижение по-прежнему очень низких выбросов закиси азота и несгоревших углеводородов.
Отметим, что управление воспламенением во время цикла дожигания в предпочтительном варианте осуществления реализуется за счет моментального открывания впускного клапана или впускных клапанов для впуска, снова - с коррекцией от цикла к циклу на основании результатов предыдущего цикла. Очевидно, что вместо этого можно осуществлять моментальное открывание выпускного клапана, хотя и за счет повышенных выбросов. Открывание впускного клапана с этой целью может несколько снизить процентное содержание кислорода во впускаемом воздухе, хотя и недостаточно для ограничения сгорания предварительно впрыснутого топлива, и - конечно же - может обеспечить возможность беспрепятственного пополнения богатого кислородом воздуха, нагнетаемого во время основного впрыска топлива, с целью компенсации любого уменьшения содержания кислорода в остальной части камеры сгорания. В заключение отметим, что - как показано на фиг.2 - после цикла дожигания, конечно, происходит обычное событие выпуска и впуска на протяжении следующего поворота на угол поворота коленчатого вала, а затем 6-тактный цикл повторяется, если двигатель не переходит в другой рабочий режим.
Управляя синхронизацией клапанов, можно эксплуатировать тот же двигатель в двухтактном режиме, как показано на фиг.3. Вообще говоря, это будет режим большей мощности ввиду удвоения количества рабочих тактов по сравнению с четырехтактным режимом. В этом режиме выпуск происходит, когда поршень находится в окрестности нижней мертвой точки НМТ, а воздух нагнетается из источника, находящегося под относительно более низким давлением, как правило, в течение начальной части такта сжатия. Как и в режимах, проиллюстрированных на фиг.1 и 2, предварительный впрыск топлива будет происходить таким образом, что объем предварительного впрыска и количество воздуха, обеспечиваемое для сжатия, выбирают так, чтобы можно было снова достичь воспламенения в положении верхней мертвой точки ВМТ поршня или около нее и ограничить рост температуры при воспламенении предварительно впрыскиваемого топлива так, чтобы она не превышала предела температуры образования закиси азота. И опять, как и в ранее описанных режимах эксплуатации, топливо впрыскивается, и воздух нагнетается управляемым образом в течение соответствующей основному впрыску части такта расширения, чтобы поддерживать температуру в диапазоне между температурой воспламенения и пределом температуры образования закиси азота, подавая при этом достаточно кислорода во впрыскиваемое топливо, чтобы оно могло сгорать полностью. Этот цикл повторяется в течение каждого оборота коленчатого вала, чтобы получить эксплуатацию двигателя, которая во всем остальном происходит, по существу, в обычном двухтактном режиме.
S
Теперь, обращаясь к фиг.4, можно рассмотреть схему возможного осуществления настоящего изобретения. В этом воплощении показан шестицилиндровый двигатель, при этом два центральных цилиндра используются как цилиндры сжатия, СЖАТ, а два цилиндра на каждом конце двигателя используются как цилиндры сгорания, СГОР. Выхлоп ВЫХ из каждого цилиндра приводит в действие турбонагнетатель ТУРБО перед выхлопом в атмосферу АТМ. Турбонагнетатель в этом варианте осуществления будет увеличивать давление впускаемого воздуха ВПУ приблизительно до 400 кПа (4 бар), что приводит к подаче воздуха турбонаддува во впускные клапаны во всех шести цилиндрах. С целью запуска двигателя и всякий раз, когда тоже требуется или выгоден наддув турбонагнетателем, можно предусмотреть гидравлическое содействие через посредство гидравлического двигателя, управляемого управляющим клапаном, связанным с источником гидравлической текучей среды под давлением P. В случае двух цилиндров сжатия, СЖАТ, обычно можно предусмотреть два впускных клапана и два выпускных клапана для каждого цилиндра и использовать все эти клапаны в качестве входных клапанов, при этом в каждом из двух цилиндров сжатия, СЖАТ, предусматривается обратный клапан ОК для выпуска сжатого воздуха из цилиндра сжатия, СЖАТ, в воздушный ресивер под давлением приблизительно 20 МПа (200 бар). Этим давлением, конечно, можно управлять путем управления углом поворота коленчатого вала, при котором впускные клапаны цилиндров сжатия, СЖАТ, закрываются, что, конечно, обеспечивает управление объемом воздуха, находящегося под высоким давлением, подаваемого в воздушный ресивер. В этой связи отметим, что цилиндры сжатия, СЖАТ, всегда работают в режиме двухциклового сжатия, независимо от того, что сами цилиндры сжатия, СЖАТ, могут работать в двухцикловом, четырехцикловом, шестицикловом или некотором другом режиме. Воздух из воздушного ресивера нагнетается в каждую из камер сгорания, СГОР, через клапан, который в предпочтительном варианте осуществления также гидравлически управляется посредством электронного контроллера и, конечно же, имеет размеры, синхронизацию и т.д., обеспечивающие желаемый объем и синхронизацию воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. В этой связи, очевидно, что давление в воздушном ресивере должно быть выше, чем давление в камере сгорания в момент нагнетания воздуха, хотя в предпочтительном варианте осуществления это легко достигается на практике путем оперативного контроля давления в камере сгорания и как давления, и как показателя температуры в камере сгорания. Отметим, что, хотя на фиг.4 схематически изображен единственный клапан для нагнетания воздуха из воздушного ресивера, можно использовать и несколько клапанов. В предпочтительном варианте давлением в воздушном ресивере можно управлять путем управления впускными клапанами на цилиндрах сжатия, СЖАТ, с обеспечением большего давления, чем то, которое имеется в камере сгорания, во время нагнетания воздуха, но не намного больше, чтобы рассеивать ненужную энергию. В этой связи очевидно, что наибольшее давление, получаемое в воздушном ресивере, можно без затруднений установить посредством проектирования, выбирая при этом такую степень сжатия для цилиндров сжатия, СЖАТ, которая из-за конструкции головки двигателя может отличаться от степени сжатия цилиндров сгорания, СГОР, а, в частности, может быть большей. Управление фактическим давлением в воздушном ресивере, а также объемом воздуха, подаваемого в воздушный ресивер, легко осуществляется путем управления впускными клапанами для цилиндров сжатия.
2
Отметим, что в целом воздух в воздушном ресивере будет горячим из-за того, что он находится в условиях, по существу, адиабатического сжатия, хотя в общем случае потеря энергии на это будет небольшой, так как для нагнетания перед потерей этого тепла обычно будет использоваться воздух под высоким давлением. Конечно, в альтернативном варианте можно сделать воздушный ресивер существенно большим и предусмотреть вместительный резервуар для воздуха под высоким давлением, чтобы обеспечить значительное повышение мощности двигателя и выходной мощности, по меньшей мере, на короткий промежуток времени. В качестве дополнительной альтернативы воздушный ресивер мог бы состоять из относительно малого первичного воздушного ресивера и относительно большего вторичного воздушного ресивера, причем вторичный воздушный ресивер наполняется воздухом под высоким давлением в такие моменты времени, как при использовании двигателя в целях торможения, что приводит к дополнительному улучшению в контексте потребления топлива, а вследствие этого - к сниженным выбросам СО.
Теперь, обращаясь к фиг.5 и 6, можно рассмотреть схематическую иллюстрацию, на которой видна часть головки двигателя, включающего в себя настоящее изобретение, и схематическое сечение, проведенное через часть головки. Как показано на фиг.5, цилиндр на правой стороне чертежа является цилиндром сжатия, в котором все четыре клапана используются в качестве впускных клапанов, ВПУ, при этом обратные клапаны выполнены гораздо меньшими, потому что давление в них гораздо выше, а объем выходного воздуха, находящегося под высоким давлением, гораздо ниже по сравнению с впускаемым воздухом, находящимся под низким давлением. На изображении цилиндра в центре чертежа показаны два впускных клапана ВПУ и два выпускных клапана ВЫП, при этом в центре цилиндра имеется топливная форсунка. Над топливной форсункой показан клапан, который управляет впуском воздуха, находящегося под высоким давлением, из воздушного ресивера в каналы воздуха, находящегося под высоким давлением, для получения однородной смеси. Эти каналы также изображены на фиг.6, причем клапан высокого давления управляет нагнетанием воздуха, находящегося под высоким давлением, из воздушного ресивера, в этом варианте осуществления - в области вокруг клапанов двигателя. Очевидно, что, хотя фиг.5 и 6 иллюстрируют возможную систему трубопроводов для распределения воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания во время такта расширения, такая система трубопроводов может принимать многие формы, возможно, в качестве примера такие, которые обеспечивают нагнетание воздуха вокруг периферии топливной форсунки или предусматривают наклон насадок, через которые нагнетается воздух, причем все это - в одинаковых или разных направлениях, и т.д.
Настоящее изобретение описано здесь в связи с дизельными двигателями, хотя оно применимо и к двигателям других типов, таким как бензиновые двигатели и двигатели, предназначенные для работы на альтернативных топливах, такие как биодизельные двигатели и т.п. В случае бензиновых двигателей карбюрацию или предварительный впрыск можно использовать для получения смеси, воспламеняющейся от искры, в верхней мертвой точке или около нее, с обеспечением дополнительного впрыска топлива и воздуха в течение части рабочего такта, как и в дизельных двигателях. В альтернативном варианте можно использовать «чистое» воспламенение от сжатия с помощью существенно бедной смеси, которая является результатом предварительного впрыска, с целью ограничения наивысшей получаемой температуры величиной, не превышающей предела температуры образования закиси азота, или возникает по причине ударов, а также осуществления, по существу, немедленного воспламенения топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, совместно с нагнетаемым воздухом во время основного впрыска. Кроме того, в качестве дополнительной альтернативы можно использовать искровое зажигание для запуска бензинового двигателя с помощью либо обычного цикла, либо цикла согласно настоящему изобретению, а затем перейти к воспламенению от сжатия после запуска и/или после прогрева двигателя в некоторой степени.
В связи с тем, что в вышеизложенном описании речь зашла об использовании бензина в режиме воспламенения от сжатия, следует отметить, что управление двигателем будет приводить к автоматическому регулированию для получения воспламенения в верхней мертвой точке или около нее независимо от октанового числа используемого бензина.
В соответствии с описанием заявки №60/819062 на временный патент США многоцилиндровые двигатели с воспламенением от сжатия и способы их эксплуатации обладают многими преимуществами над известными двигателями и способами. В возможном варианте осуществления один цилиндр двигателя используется в целях сжатия воздуха, а другой цилиндр двигателя используется как цилиндр сгорания или силовой цилиндр. В 6- или 8-цилиндровом двигателе, например, половину цилиндров можно использовать как цилиндры сжатия, а другую половину - как цилиндры сгорания или силовые цилиндры, хотя это соотношение «один к одному» является лишь возможностью, а не ограничением изобретения.
Обращаясь теперь конкретно к фиг.7, можно рассмотреть схематическую иллюстрацию двух цилиндров многоцилиндрового двигателя в соответствии с возможным вариантом осуществления настоящего изобретения. Этот чертеж схематически иллюстрирует возможные клапаны для двух цилиндров двигателя, причем правый цилиндр 20 на этом чертеже используется для сжатия, а левый цилиндр 22 используется в качестве цилиндра сгорания или силового цилиндра. Предположим, что двигатель включает в себя электронно-управляемые клапаны, такие как впускные и выпускные клапаны, и электронно-управляемые топливные форсунки, так что осуществляется электронное управление синхронизацией клапанов и синхронизацией впрыска посредством подходящей системы электронного управления. Одной подходящей системой управления клапанами двигателя является система управления гидравлическими электронно управляемыми клапанами двигателя, такая как описанная в патенте США №6739293, информация о котором (уже) приводилась здесь для справок. Примером подходящей топливной форсунки может быть топливная форсунка общего назначения, описанная в патенте США №5460329, информация о которой также приводится здесь для справок.
Как показано на фиг.7, впускной коллектор ВПУСК соединен с тремя впускными клапанами ВПУ в цилиндре 20 сжатия и с одним впускным клапаном ВПУ в цилиндре 22 сгорания на левой стороне чертежа. Хотя впускной коллектор может находиться под несколько повышенным давлением, например, через посредство нагнетателя, в предпочтительном варианте давление во впускном коллекторе ВПУСК будет просто атмосферным давлением или лишь немного повышенным за счет динамического давления, обусловливаемого движением транспортного средства, в котором установлен двигатель. Аналогично, выпускной коллектор ВЫПУСК в предпочтительном варианте осуществления будет находиться под давлением, как можно более близким к атмосферному давлению; хотя это и не предпочтительно, совместно с настоящим изобретением можно использовать и нагнетатель, питаемый от выхлопа.
ВД
НД
ВД
ВД
ВД
Помимо впускного коллектора ВПУСК и выпускного коллектора ВЫПУСК предусмотрены воздуховод высокого давления (ВВ) и воздуховод низкого давления (ВВ). Воздуховод высокого давления, ВВ, предпочтительно соединен с резервуаром 24, имеющим существенную вместимость. В предпочтительном варианте осуществления воздуховод высокого давления, ВВ, имеет свою собственную внутреннюю полость, хотя и не имеет отдельного резервуара, соединенного с ним. Однако в альтернативном варианте можно использовать резервуар воздуха высокого давления, имеющий или не имеющий установленного на нем управляемого клапана для соединения его с воздуховодом высокого давления, ВВ.
НД
НД
ВД
ВД
НД
ВД
ВД
НД
ВД
Во время такта впуска для цилиндра 20 сжатия впускные клапаны ВПУ обычно открываются, после чего во время такта сжатия сжатый воздух выпускается за счет открывания ведущего к ВВ клапана либо для подачи сжатого воздуха в воздуховод низкого давления, ВВ, и связанный с ним резервуар 24, либо для выпуска сжатого воздуха через ведущий к ВВ выпускной клапан воздуха высокого давления в ВВ. Для наиболее эффективной эксплуатации открывание выпускного клапана в воздуховод низкого давления, ВВ, или открывание ведущего к ВВ выпускного клапана в воздуховод высокого давления, ВВ, координируется с давлением в цилиндре 20 сжатия за счет оперативного контроля давления в цилиндре 20 сжатия через посредство датчика 26 давления. В этой связи отметим, что не показаны датчики давления, измеряющие давление в воздуховоде низкого давления, ВВ, и воздуховоде высокого давления, ВВ, в частности, в целях общего управления двигателем, а кроме того, для осуществления надлежащей синхронизации любого из выпускных клапанов в цилиндре 20 сжатия, так что не происходит потери значительной энергии за счет больших разностей давлений между цилиндром 20 сжатия и воздуховодом, в который открывается соответствующий выпускной клапан, независимо от того, положительной или отрицательной является упомянутая разность давлений. В этой связи отметим также, что количество сжимаемого воздуха, хотя и имеющего максимальный объем из-за габаритов цилиндра 20 сжатия, как правило, но необязательно имеющего такой же диаметр, как силовой цилиндр 22, можно уменьшить путем закрывания впускных клапанов, по существу, перед тем, как поршень достигает нижней мертвой точки во время такта впуска, или - в альтернативном варианте - по существу, после того как поршень проходит свою нижнюю мертвую точку, так что количество воздуха, улавливаемое для сжатия в цилиндре 20 сжатия, таким образом, уменьшается. За счет того, что впускные клапаны ВПУ не открываются во время такта впуска и/или не открывается ни один из выпускных клапанов ни в один из воздуховодов, находящихся под давлением, количество сжатого воздуха, подаваемого в любой воздуховод, можно уменьшить до нуля. Также отметим, что степень сжатия в цилиндре 20 сжатия может быть такой же, как в цилиндре сгорания, или отличающейся от нее, а более конкретно - в цилиндре сжатия она может быть выше, если это желательно.
НД
ВД
НД
ВД
НД
ВД
Таким образом, посредством управления впускным клапаном ВПУ и ведущими к ВВ и ВВ выпускными клапанами цилиндра 20 сжатия, а также использования воздуха из этих напорных воздуховодов можно легко управлять давлением в воздуховоде низкого давления, ВВ, и связанном с ним резервуаре 24, а также в воздуховоде высокого давления, ВВ. В предпочтительном варианте осуществления давление в воздуховоде низкого давления, ВВ, обычно может составлять приблизительно 1,5 МПа (15 бар), возможно, с нижним пределом 1 МПа (10 бар) и верхним пределом приблизительно 2 МПа (20 бар). С другой стороны, давление в воздуховоде высокого давления, ВВ, в предпочтительном варианте существенно выше, находясь в диапазоне от приблизительно 14 МПа (140 бар) до приблизительно 20 МПа (200 бар).
ВД
ВД
ВД2
ВД
ВД1
x
x
x
Цилиндр 22 сгорания включает в себя впускной клапан ВПУ, соединенный с впускным коллектором ВПУСК, и два впускных клапана ВЫП, соединенных с выпускным коллектором ВЫПУСК. Цилиндр сгорания также включает в себя топливную форсунку ФОРС, как правило, приблизительно отцентрированный относительно цилиндра сгорания. Соответственно цилиндр 22 сгорания можно эксплуатировать как обычный четырехтактный двигатель с воспламенением от сжатия, имеющий такты впуска, сжатия, сгорания и выпуска. Вместе с тем, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, эксплуатацию двигателя можно улучшить даже в обычном 4-тактном режиме путем не только впрыскивания топлива для сгорания, но нагнетания при этом воздуха из воздуховода высокого давления, ВВ, в показанном варианте осуществления - либо через посредство предназначенного для ВВ клапана ВВ малого нагнетания воздуха высокого давления, или через посредство предназначенного для ВВ клапана ВВ большего нагнетания воздуха высокого давления, либо через посредство обоих таких клапанов. Как будет подробно показано впоследствии, при нагнетании этого воздуха высокого давления он предпочтительно нагнетается вокруг самого наконечника топливной форсунки ФОРС, причем это нагнетание воздуха обладает рядом преимуществ. Во-первых, нагнетание воздуха высокого давления создает турбулентность в непосредственной близости от струи топлива из топливной форсунки, обеспечивая значительно лучшее смешивание и возможность избежать локальных пятен нагрева, которые приводят к образованию NO. Кроме того, типичная топливная форсунка впрыскивает топливо в камеру сгорания со значительной радиальной составляющей, чтобы избежать ударов впрыскиваемого топлива о поршень или, по меньшей мере, минимизировать их, поскольку они могут повредить поршень и вызвать большие выбросы из-за обусловливаемого ими неполного сгорания. Однако, в результате, когда поршень движется от верхней мертвой точки, он движет воздух, в котором желательно сгорание, так что проявляется тенденция к концентрации продолжающегося впрыска в том месте, которое теперь является верхней частью объема камеры сгорания, вследствие чего не удается достичь преимущества воздуха, более богатого кислородом, ниже этого места. За счет нагнетания воздуха высокого давления так, как описано выше, воздух вокруг наконечника форсунки, вместо того, чтобы стать обедненным, пополняется воздухом, который богат кислородом, обеспечивая более полное сгорание даже в течение более длительного события впрыскивания (нагнетания), чем в известных технических решениях. В этой связи отметим, что в предпочтительном варианте осуществления датчик 28 давления также используется в камере сгорания, при этом датчик 28 давления измеряет не только давление, но и проводит, по существу, косвенное измерение температуры в камере сгорания. Соответственно топливной форсункой ФОРС можно управлять, обеспечивая управление скоростями впрыскивания топлива и/или их ограничение с целью ограничения давления в камере сгорания, а значит - и температуры в камере сгорания температурами, ниже которых будет образовываться NO. В этой связи отметим, что ввиду нагнетания воздуха высокого давления во время впрыскивания топлива событие впрыскивания топлива может происходить на протяжении большего интервала угла поворота коленчатого вала, чем в известных технических решениях, ввиду пополнения воздуха, богатого кислородом, в окрестности впрыскиваемого топлива даже после того, как поршень совершил существенное перемещение вниз от положения своей верхней мертвой точки. Конечно, можно использовать предварительный впрыск наряду с основным впрыском, который сам по себе может быть непрерывным или импульсным впрыском, когда это желательно для ограничения температуры в камере сгорания величиной, меньшей, чем та, при которой образуется NO, и в соответствии с возможностями системы впрыскивания. Аналогичным образом, нагнетание воздуха высокого давления можно использовать или не использовать во время любого предварительного впрыска, и оно может точно совпадать или не совпадать с основным впрыском топлива, когда это желательно и когда предварительный впрыск можно намеренно изменять в соответствии с условиями эксплуатации двигателя.
НД
НД
X
Обращаясь теперь к фиг.8, можно рассмотреть еще один аспект настоящего изобретения. В соответствии с этим аспектом двигатель, соответствующий настоящему изобретению, такой как проиллюстрированный в связи с фиг.7, можно эксплуатировать как 2-тактный двигатель, тем самым обеспечивая столько же рабочих тактов при той же скорости двигателя, выражаемой в оборотах в минуту, сколько получилось бы, если бы оба цилиндра, показанные на фиг.7, работали в обычном 4-тактном цикле. Фиг.8 иллюстрирует эксплуатацию двигателя в 2-тактном режиме посредством графика зависимости температуры от положения поршня, причем различные точки на графике обозначены в соответствии с различными событиями во время эксплуатации двигателя. Этот график иллюстрирует условия от нижней мертвой точки НМТ поршня в цилиндре 22 сгорания до верхней мертвой точки ВМТ и опять до нижней мертвой точки НМТ, после чего иллюстрируемый цикл повторяется или - в альтернативном варианте, в частности, в ситуациях малой выходной мощности, - во время следующего перемещения поршня от нижней мертвой точки НМТ к верхней мертвой точке ВМТ и обратно к нижней мертвой точке НМТ может происходить осуществляемый по выбору цикл дожигания, как показано справа на графике согласно фиг.8. Начиная слева на графике согласно фиг.8, выпускной клапан открыт (ОТКР) на протяжении большинства перемещения поршня в его положении верхней мертвой точки ВМТ. Затем, при подходящем угле поворота коленчатого вала, который можно определить с помощью системы управления на основании условий эксплуатации двигателя и условий окружающей среды, а также коррекций от цикла к циклу, в частности, на основании фактической эксплуатации во время предыдущего цикла, в момент 2 выпускной клапан закрывается (ЗАКР), и в этот момент или немного позже воздух из воздуховода низкого давления, ВВ, подается через ведущий к ВВ клапан (фиг.7) в цилиндр сгорания и происходит малый предварительный впрыск топлива (момент 3), при этом предварительный впрыск и нагнетание топлива оканчиваются в момент 4. Затем в некоторый момент непосредственно до или непосредственно после того, как достигается температура воспламенения, в камеру сгорания можно впрыскивать больше топлива и нагнетать больше воздуха высокого давления, а затем прекращать впрыскивание (нагнетание) после достижения момента 7 наивысшей температуры (наивысшего давления) и начала падения этого параметра по мере движения поршня вниз, и можно осуществлять дальнейшее нагнетание воздуха высокого давления и впрыскивание топлива для поддержания сгорания, а значит и температуры, и давления в камере сгорания на всем протяжении существенного угла поворота коленчатого вала, все время при температуре ниже температуры, при которой образуется NO, после чего в момент 8 впрыскивание топлива и нагнетание воздуха прекращаются на всем протяжении остальной части рабочего хода, при этом любой выпускной клапан открывается около нижней мертвой точки (момент 9) для повторения только что описанного цикла или при операциях, проводимых на малой мощности, для осуществления цикла дожигания дозы топливовоздушной смеси в камере сгорания путем оставления всех остальных клапанов закрытыми, либо - в альтернативном варианте - путем управления одним или более выпускными клапанами ВЫП, впускными клапанами ВПУ и/или клапаном, ведущим к одному из воздуховодов, с целью управления давлением, объемом, а значит и температурой дожигаемой дозы топливовоздушной смеси таким образом, что воспламенение для дожигания происходит в верхней мертвой точке или около нее.
x
Вышеизложенное пояснение эксплуатации двигателя согласно настоящему изобретению для 2-тактного режима, конечно же, характеризует лишь возможный вариант, поскольку предварительный впрыск может происходить без нагнетания воздуха высокого давления или может фактически не использоваться вовсе. Аналогичным образом предварительный впрыск может происходить несколько позже на такте сжатия, при этом основной впрыск и нагнетание воздуха высокого давления происходят после воспламенения дозы топлива для предварительного впрыска, хотя и управляемым образом (с импульсным или иным управлением), для ограничения верхней предельной температуры в камере сгорания величиной, меньшей, чем температура, при которой образуется NO, чтобы все-таки поддерживать существенные давление и температуру в камере сгорания на протяжении существенного угла поворота коленчатого вала для реализации высокоэффективного рабочего такта.
НД
НД
ВД
Теперь, обращаясь к фиг.9, можно рассмотреть сечение головки цилиндра в области цилиндра 22 сгорания (фиг.7). На этом чертеже показан клапан двигателя, такой как один из выпускных клапанов ВЫП или впускных клапанов ВПУ согласно фиг.7. Не показан ведущий к ВВ клапан, соединенный с воздуховодом низкого давления, ВВ, тоже показанным на фиг.7, хотя этот клапан может быть обычным тарельчатым клапаном, таким как клапан двигателя, показанный на фиг.9, но все же существенно меньшим из-за остающегося существенно более высоким давления и плотности воздуха в воздуховоде низкого давления по сравнению с атмосферным давлением. Вместе с тем, на фиг.9 показан также - как правило - меньший тарельчатый клапан 30, который при открывании соединяет воздуховод высокого давления, ВВ, с областью 32 коллектора, который, в свою очередь, распределяет воздух высокого давления по окружности вокруг наконечника топливной форсунки ФОРС путем выпуска воздуха высокого давления через кольцевую область 34. В типичном приложении воздух, присутствующий в воздуховоде высокого давления, будет нагнетаться в цилиндр сгорания под управляемым давлением, превышающим давление в цилиндре сгорания, для создания существенного потока воздуха посредством струи, испускаемой топливной форсункой во время впрыска, хотя и не при такой большой разности давлений, как для рассеяния энергии. Следовательно, нагнетание воздуха, таким образом, позволяет избежать пятен нагрева в камере сгорания, обеспечивает лучшее смешивание впрыскиваемого топлива и нагнетаемого воздуха и пополняет богатый кислородом воздух по мере его расходования за счет процесса сгорания в той части цилиндра, в которую впрыскивается топливо, с целью потенциального обеспечения большего количества впрыскиваемого топлива, сжигаемого с целью потенциального обеспечения большей выходной мощности на каждом рабочем такте.
ВД
НД
ВД
Еще один режим эксплуатации двигателей в соответствии с настоящим изобретением можно рассмотреть на фиг.10. Этот режим изображен применительно к двухтактной эксплуатации двигателя, хотя, как и в предыдущих режимах работы, это описание можно легко распространить на четырехцикловую или предусматривающую больше циклов эксплуатацию - по желанию или выбору на основании условий эксплуатации двигателя. Идея этого режима эксплуатации заключается в том, что в нижней мертвой точке НМТ поршня или около нее после рабочего такта выпускной клапан открыт или выпускные клапаны ВЫП открыты на протяжении большей части перемещения поршня в положении верхней мертвой точки ВМТ поршня, после чего выпускной клапан закрывается или выпускные клапаны ВЫП закрываются. Затем - в начале последующего сжатия - происходит впрыск топлива, продолжающийся до тех пор, пока не произойдет впрыск всего топлива. К концу впрыскивания топлива или после завершения впрыскивания топлива начинается нагнетание воздуха высокого давления из воздуховода высокого давления, ВВ, возле положения верхней мертвой точки ВМТ поршня или непосредственно перед тем, как он ее достигает, при этом воспламенение происходит около положения верхней мертвой точки ВМТ и продолжается по мере продолжения нагнетания воздуха высокого давления до тех пор, пока не будет достигнут некоторый существенный угол поворота коленчатого вала после прохождения положения верхней мертвой точки. По завершении сгорания затем происходит обычное расширение в положении нижней мертвой точки НМТ поршня, и в этот момент времени выпускной клапан открывается для повторения только что описанного цикла. В альтернативном варианте первоначальное нагнетание воздуха может происходить из воздуховода низкого давления, ВВ, с последующим нагнетанием воздуха из воздуховода высокого давления, ВВ, причем управление этими давлениями осуществляется за счет синхронизации клапанов для обеспечения наиболее эффективных давлений нагнетания.
x
x
x
x
x
ВД
Преимущество этого последнего режима эксплуатации заключается в следующем. Поскольку впрыск топлива, происходящий в горячие выхлопные газы, являющиеся результатом предыдущего рабочего такта, инициируется перед сгоранием, впрыскиваемое топливо будет испаряться (переходя в газообразное состояние) этими горячими выхлопными газами с обеспечением среды, очень богатой топливом по сравнению с ограниченным содержанием кислорода в выхлопных газах. Следовательно, на воспламенение от сжатия этой смеси будет наложено ограничение по температуре, обусловливаемое имеющимся содержанием кислорода, и, конечно, произойдет успешное автоматическое поддержание температуры ниже температуры, при которых сможет образоваться NO. Нагнетание воздуха высокого давления, начинающееся, как правило, хотя это и необязательно, до воспламенения от сжатия, увеличит температуру сгорания, а значит и температуры после воспламенения от сжатия, при этом синхронизацией и объемом нагнетания воздуха можно управлять, по-прежнему ограничивая температуры сгорания величинами ниже температур, при которых будет образовываться NO. В этой связи отметим, что по мере продолжения нагнетания высокого давления сгорание продолжится до тех пор, пока не будет израсходовано топливо, однако с использованием топливовоздушной смеси с управляемым соотношением компонентов во избежание локальных пятен нагрева, которые в противном случае вызвали бы образование NO. При сравнении с обычным дизельным двигателем выясняется, что в нем капли топлива разбрызгиваются в воздух, богатый кислородом, что приводит к возникновению локальных горячих пятен и образованию NO, тогда как в этом режиме эксплуатации капли топлива испаряются (переходят в газообразное состояние), а пар тщательно смешивается с остаточным выхлопным газом и, как правило, с изначально нагнетаемым количеством воздуха высокого давления, так что соотношения компонентов топливовоздушной смеси во время сгорания по всей камере сгорания могут быть и на самом деле ограничены теми, величины ниже которых будут давать температуры создания NO. Очевидно, что синхронизацию и объем впрыска топлива, а также синхронизацию и объем нагнетания воздуха высокого давления можно изменять с изменением условий эксплуатации двигателя и условий окружающей среды, чтобы поддержать требуемую мощность при надлежащем регулировании с целью обеспечения минимальных выбросов. И опять, как говорилось ранее, эксплуатация в двухцикловом режиме увеличит выходную мощность цилиндра сгорания, чтобы компенсировать использование другого цилиндра для нагнетания давления в воздуховоде высокого давления, ВВ. Кроме того, воздух высокого давления можно нагнетать в цилиндр сгорания так, что это будет способствовать смешиванию и очистке стенок цилиндра от паров несгоревшего топлива и воздуха, способствуя полному сгоранию.
Следует отметить, что двигатели в соответствии с изобретением можно эксплуатировать посредством некоторой комбинации описываемых здесь режимов эксплуатации. В качестве примера отметим, что наибольшая часть впрыска топлива может происходить перед воспламенением от сжатия, как только что описано, а некоторый дополнительный впрыск топлива может происходить во время рабочего такта, если это желательно. В этой связи следует отметить, что ввиду возможности управления синхронизацией впускных и выпускных клапанов, клапанов для нагнетания воздуха и топливной форсунки в цилиндре сгорания, синхронизация нагнетания воздуха и впрыскивания топлива и объем нагнетания воздуха и впрыскивания топлива, будь то единственное событие нагнетания (впрыскивания) или несколько событий нагнетания (впрыскивания), оказываются полностью управляемыми с возможностью изменения по желанию, как правило, в ответ на условия эксплуатации двигателя и условия окружающей среды. Наличие впускного клапана или впускных клапанов в цилиндре сгорания, как показано на фиг.7, обеспечивает дополнительную гибкость в возможных режимах эксплуатации двигателя, как описано выше. Конечно, датчик 28 давления, показанный на фиг.7, обеспечивает оптимизацию эксплуатации двигателя от цикла к циклу на основании любых отклонений от оптимальной эксплуатации во время предыдущего цикла.
НД
ВД
x
x
Настоящее изобретение описано здесь применительно к впрыску топлива для воспламенения от сжатия, причем топливо в предпочтительном варианте осуществления является дизельным топливом, хотя при желании можно использовать и другие топлива на основе бензина или не на основе бензина. Кроме того, при подходящем чередовании, как будет очевидно для специалистов в данной области техники, можно также использовать газообразное топливо в чистом виде и газообразное топливо, хранящееся в жидкой форме, а в качестве нескольких примеров можно привести такие как природный газ, пропан, бутан и водород. Любые из этих топлив или смесей этих топлив можно использовать по отдельности или в сочетании с малыми количествами одной или более подходящих добавок для таких целей, как, например, инициирование воспламенения от сжатия при желаемой температуре в камере сгорания. Кроме того, двигателем согласно настоящему изобретению, работающим на дизельном топливе, а также любом из этих других топлив, можно легко управлять с помощью систем управления, таких как показанные на фиг.11. Как показано на этом чертеже, клапанами двигателя, клапанами управления воздухом и форсунками в двигателе можно управлять посредством контроллера, в типичном случае - контроллера на основе микропроцессора под управлением программы, хранящейся в постоянном запоминающем устройстве в контроллере и реагирующей на уставку мощности, основанную на условиях эксплуатации двигателя, условиях окружающей среды и давлениях в цилиндрах и воздуховодах, для определения номинальных параметров эксплуатации клапанов двигателя, клапанов управления воздухом и форсунок, которое может быть основано на заранее определенной информации, хранящейся в справочных таблицах. Такой контроллер в системе согласно настоящему изобретению в типичном случае должен реагировать на датчики давления в цилиндре 20 сжатия, цилиндре 22 сгорания, а также в воздуховодах низкого и высокого давления, ВВ и ВВ, для координации эксплуатации системы с целью достижения оптимальных эксплуатационных характеристик, как правило, с коррекцией работы двигателя во время конкретного цикла эксплуатации на основании эксплуатации во время предыдущего цикла, по существу, с образованием одного или более замкнутых контуров, которые гарантируют, что воспламенение наступает при надлежащем угле поворота коленчатого вала, что не превышены пределы температуры в камере сгорания, и т.д. Конечно же, можно легко реализовать и другие режимы эксплуатации, такие как торможение сжатием, аккумулирование дополнительного воздуха высокого давления при использовании торможения двигателем или сжатием, либо просто при низких уставках давления, эксплуатация в режимах с увеличенным количеством тактов, такая как шестицикловая и восьмицикловая эксплуатация, эксплуатация с пропуском циклов и т.д. В этой связи отметим, что для посыла избыточной мощности двигатель можно эксплуатировать, нагнетая воздух высокого давления на основании ранее аккумулированного воздуха высокого давления, ограничивая время потребления мощности, необходимой, чтобы обеспечить воздух высокого давления для нагнетания, и в то же время используя избыточную мощность, получаемую за счет нагнетания воздуха высокого давления. Это дает преимущество над другими методами аккумулирования энергии, такими как батарейное аккумулирование, поскольку не нужно преобразовывать эту энергию в электрическую энергию и осуществлять обратное преобразование с сопутствующими потерями и сложностями. Это даже дает преимущество над аккумулированием воздуха высокого давления из некоторого другого компрессора и преобразованием обратно в механическую энергию посредством некоторой формы турбины или другого пневматического двигателя, главным образом, за счет исключения потребности в этих дополнительных компонентах. Настоящее изобретение также обладает огромным преимуществом, заключающимся в улучшении сгорания и исключении образования NO, что значительно практичнее и дешевле, чем попытки удалить NO сразу же после образования выброса.
x
Обращаясь теперь к фиг.12, можно рассмотреть график, иллюстрирующий условия, при которых в двигателе образуются сажа и NO. Этот график можно использовать в качестве вспомогательного средства для иллюстрации различных идей и признаков настоящего изобретения. По оси Х отложена температура в градусах Кельвина, а по оси Y - отношение эквивалентности. Отношение эквивалентности - это отношение топлива к окислителю, деленное на стехиометрическое отношение топлива к окислителю. Таким образом, отношение эквивалентности, равное двум, как показано на графике, отображает вдвое большее содержание топлива, когда присутствующий кислород будет способен обеспечить горение. Как правило, в известном дизельном двигателе отношение эквивалентности в макромасштабе будет меньше единицы, то есть суммарное количество топлива, впрыскиваемое для суммарного количества кислорода в камере сгорания, будет обычно меньше, чем при стехиометрическом отношении. Вместе с тем различные реальные условия в цилиндре, соответствующие мировой практике, приводят к локальным соотношениям компонентов топливовоздушной смеси, превышающим имеющиеся при стехиометрическом отношении, что может обусловливать относительно высокие локальные отношения эквивалентности, приводящие к образованию сажи, как можно заметить на графике. Такие условия предусматривают тот факт, что в известных технических решениях топливо впрыскивается в цилиндр через неподвижные разбрызгивающие сопла, а это дает высокую концентрацию топлива в весьма локализованных областях камеры сгорания. Это обстоятельство, конечно, лишь усугубляет ситуацию, когда сопла засоряются, и т.д. Кроме того, как упоминалось выше, в известных технических решениях впрыскивание топлива начинается в верхней мертвой точке движения поршня или около нее, приводя к необходимости, по существу, радиального направления впрыскивания, хотя центр объема, заключенного внутри камеры сгорания, перемещается книзу по мере продолжения впрыскивания, что приводит к перемещению значительной части кислорода в камере сгорания книзу от продолжающего впрыскиваться топлива.
x
x
x
Снова обращаясь к фиг.12, отмечаем, что линии, окружающие верхнюю зачерненную область, дают процентное содержание сажи, которая будет образовываться, а линии вокруг нижней правой области дают количество NO, которое будет образовываться, выражаемое в частях на миллион частей топливной смеси. Кривые линии, начинающиеся сверху слева, отображают процентное содержание кислорода в камере сгорания, находящееся в диапазоне от 21% кислорода для правой кривой до 5% кислорода для левой кривой. Можно заметить, что при условии управления, даже локального, большей температурой в камере сгорания и управления, даже локального, отношением эквивалентности, ни сажа, ни NO, по существу, не будут образовываться. Очевидно, что если отношение эквивалентности равно двум по всей камере сгорания и имеется относительно низкое процентное содержание кислорода, то ни сажа, ни NOобразовываться не будут, но выхлоп может содержать значительные количества несгоревших углеводородов (топлива), что тоже неудовлетворительно.
Обращаясь теперь к фиг.13, можно рассмотреть график, иллюстрирующий реальную эксплуатацию согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения по сравнению со стандартным циклом с воспламенением от сжатия (циклом Дизеля). Эти кривые отображают представленные данные, полученные в результате реальной эксплуатации многоцилиндрового дизельного двигателя, в котором третий цилиндр был оснащен датчиком давления и эксплуатировался в обычном цикле с воспламенением от сжатия, причем соответствующая ему кривая именуется далее базисной линией, а цилиндр под номером два был оснащен датчиком давления, но эксплуатировался в альтернативном цикле в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В этой связи, хотя на чертеже показан составляющий от -140° до +140° диапазон угла поворота коленчатого вала относительно мертвой точки, следует отметить, что эксплуатация в соответствии с базисной линией, то есть эксплуатация цилиндра 3 в соответствии с обычным циклом с воспламенением от сжатия, представляет собой обычную четырехцикловую эксплуатацию дизеля, предусматривающую такты впуска, сжатия, рабочий такт и такт выпуска. Альтернативой была двухцикловая эксплуатация, предусматривающая, главным образом, такт сжатия и рабочий такт, тем самым, по существу, удваивая количество рабочих тактов для такого цилиндра.
Воздух для нагнетания обеспечивали с помощью отдельного источника сжатого воздуха, тогда как в вышеупомянутых вариантах воздух под требуемым давлением или требуемыми давлениями в полномасштабном воплощении обычно обеспечивался бы путем выделения одного или более цилиндров многоцилиндрового двигателя в качестве цилиндров сжатия. В этой связи отметим, что цилиндры сжатия обычно должны работать как двухцикловые цилиндры - сжатия и впуска, хотя могли бы и пропускать циклы в зависимости от потребности в сжатом воздухе. Кроме того, такие цилиндры могут иметь более высокую степень сжатия, чем цилиндры сгорания, чтобы выбрасывать больше сжатого воздуха при желаемом давлении или желаемых давлениях и минимизировать количество воздуха, которое повторно расширялось бы во время такта впуска.
x
В любом случае, обращаясь снова к фиг.13, нужно отметить, что при четырехцикловой эксплуатации в соответствии с базисной линией цикл выпуска и цикл впуска завершены, и происходит сжатие. Приблизительно в верхней мертвой точке происходит событие впрыскивания, приводящее к быстрому росту давления до пикового давления, которое затем плавно уменьшается по мере движения поршня вниз от верхней мертвой точки. Отметим, что высокое давление в цилиндре, связанное с неполным смешиванием и топливом, принимающим форму капель, обусловливает высокие температуры в цилиндре с высокими локальными отношениями эквивалентности, приводящими к образованию некоторого количества сажи, при этом сочетание высоких температур и локальных низких отношений эквивалентности приводит к образованию NO.
x
В альтернативном цикле согласно этому варианту осуществления настоящего изобретения выпускные клапаны открываются около нижней мертвой точки для улавливания заранее определенного количества выхлопного газа в цилиндре. Этот выхлопной газ, конечно, полностью обеднен несгоревшим топливом и ввиду поясняемого цикла также не содержит NO и сажу. Когда выпускной клапан закрывается, сжатие происходит в возможном цикле, показанном на фиг.13, приблизительно до -20° от верхней мертвой точки, и при этом угле поворота коленчатого вала топливо впрыскивается в выхлопной газ в цилиндре. Количество топлива, впрыскиваемого в этом примере, представляет собой полное количество для этого цикла (как упоминалось выше, меньшее, чем полное количество, которое можно было бы впрыснуть, а остальной впрыск происходит после верхней мертвой точки). Топливо впрыскивается в дозу топливовоздушной смеси, содержащую остальной выхлоп из предыдущего цикла, а значит впрыскивается в довольно высокотемпературные выхлопные газы, температура которых ниже температуры воспламенения. Вместе с тем, она достаточно высокая для испарения топлива, то есть перехода топлива в газообразное состояние для лучшего смешивания и, в конечном счете, предотвращения локализованных пятен нагрева и областей высокого отношения эквивалентности, которые в противном случае возникали бы при впрыске топлива около верхней мертвой точки в обычном цикле с воспламенением от сжатия.
x
x
После впрыскивания топлива и прохождения некоторого времени, отводимого на преобразование в газообразное состояние, воздух нагнетается в цилиндр, снова - перед достижением верхней мертвой точки, и это отмечено как событие под номером один на фиг.13. Управление количеством нагнетаемого воздуха, связанным с количеством выхлопного газа, поступающего из предыдущего цикла и уловленного в камере сгорания, тщательно осуществляется таким образом, что воспламенение происходит, по существу, в верхней мертвой точке. Пиковое давление и пиковую температуру можно ограничить во время цикла сжатия таким образом, что процентное содержание присутствующего кислорода составляет приблизительно половину процентного содержания свежего воздуха, и это приводит к тому, что сгорание происходит на протяжении обозначенного жирной линией участка кривой 10%-ного содержания кислорода. Этот участок соответствует температуре выше температуры воспламенения, да еще и смещен от отношения эквивалентности, соответствующего образованию сажи, а также соответствует температуре, которая ниже температуры, необходимой для образования NO. Конечно, сгорание в это время является относительно однородным по всему объему дозы топливовоздушной смеси, потому что топливо преобразовано в газообразное состояние, а также смешано с имеющимся воздухом до воспламенения. После прохождения верхней мертвой точки, когда давление и температура в камере сгорания начинают уменьшаться, с воздухом происходит событие под номером два, когда воздух высокого давления нагнетается непосредственно в камеру сгорания, поддерживая сгорания по мере эффективного уменьшения отношения эквивалентности до величины, которая меньше единицы, обеспечивая полное сгорание дозы топливовоздушной смеси без образования сажи или NO. Таким образом, двухцикловая эксплуатация этого цилиндра достигнута без присутствия локальных капель топлива во время сгорания и без избыточных температур в камере сгорания, вследствие чего обеспечивается необычайно чистая работа двигателя.
Как упоминалось выше, когда топливо впрыскивают в горячие остаточные выхлопные газы во время такта сжатия, топливо преобразуется в газообразное состояние перед воспламенением. Наряду с тем, что можно использовать, по существу, любое горючее жидкое (при атмосферных условиях) топливо, двигатель будет осуществлять «чистое горение», и он сможет составить конкуренцию двигателям, в которых происходит горение природного газа. В этой связи отметим, что настоящее изобретение не ограничивается использованием жидких топлив, а предусматривает, как упоминалось выше, также использование газообразных топлив, таких как природный газ, пропан и т.п. Хотя эти топлива уже имеют репутацию чисто горящих, использование этих топлив в двигателях в соответствии с настоящим изобретением может иметь дополнительные преимущества, такие как повышенная эффективность ввиду более высокой степени сжатия (для достижения воспламенения от сжатия), способность работать на более бедных смесях и способность использовать другие топлива в одном и том же двигателе, когда это необходимо или желательно.
В любом из вариантов осуществления осуществляемую от цикла к циклу коррекцию различных рабочих параметров можно проводить на основании момента времени воспламенения и/или других эксплуатационных характеристик двигателя. Хотя механическое управление клапанами, возможно, и не вызывает сомнений, применение настоящего изобретения на бескулачковом двигателе, один пример которого описан в патенте США №6739293, является предпочтительным ввиду относительно неограниченной гибкости в срабатывании и синхронизации клапанов. При такой гибкости цилиндры сгорания можно запускать по одному циклу двигателя, например четырехтактному циклу с воспламенением от сжатия, а затем переходить на двухцикловую эксплуатацию, описанную здесь, с пропуском или без пропуска цикла в каждом случае. Двигатель также можно было запускать на «запускающем» топливе, возможно, при очень холодных запусках, а затем переходить на работу на обычном топливе «для движения», которое само по себе можно заменять время от времени на основании цены, условий окружающей среды или даже требований к нагрузке двигателя, либо других условий. Кроме того, могут изменяться характеристики топлива и, конечно же, будут изменяться условия окружающей среды, а управление двигателем будет происходить посредством коррекции от цикла к циклу с тем, чтобы осуществить согласование с этими изменениями. В качестве примера отметим, что можно использовать бензин и даже искровое зажигание для запуска - либо в таком цикле, который аналогичен описанному в связи с фиг.13, при этом управление двигателем постоянно адаптируется к октановому числу конкретного бензина, используемого в любой момент времени.
Возможную систему управления можно рассмотреть на фиг.14. Показанный контроллер основан на использовании различных справочных таблиц для реакции на входные воздействия, которые включают в себя давления в цилиндрах сжатия, условия эксплуатации двигателя (температуру, скорость, угол поворота коленчатого вала, уставки мощности и т.д.) и давление в воздуховоде (давления в воздуховодах) для задания режима эксплуатации двигателя и управления топливными форсунками, клапанами цилиндров сгорания и клапанами цилиндров сжатия. В альтернативном варианте оператор двигателя может задавать режим вручную. Этот контроллер, конечно, показан лишь в качестве примера, поскольку можно использовать различные конфигурации контроллеров.
x
Предпочтительный цикл эксплуатации предусматривает открывание выпускного клапана в нижней мертвой точке или около нее на достаточно долгий период, а затем - закрывание выпускного клапана для улавливания желаемого количества выхлопного газа в цилиндре сгорания в течение остальной части описываемого цикла. После закрывания выпускного клапана можно начать впрыск топлива в относительно горячий уловленный выхлопной газ, при этом выпрыскивается все топливо, которое должно быть впрыснуто для этого цикла. Впрыск предпочтительно инициируется вскоре после закрывания выпускного клапана, а завершается впрыск как раз перед концом такта сжатия и перед воспламенением, чтобы обеспечить время, необходимое для выкипания впрыскиваемого топлива с переходом его в газообразное состояние, по существу, до достижения верхней мертвой точки. Непосредственно перед верхней мертвой точкой в камеру сгорания нагнетается воздух предпочтительно в диапазоне от 5 до 15 градусов до верхней мертвой точки, а более предпочтительно приблизительно более 10 градусов до верхней мертвой точки, а также предпочтительно перед тем, как в верхней мертвой точке или около нее произойдет воспламенение. Это нагнетание воздуха можно рассматривать как разновидность предварительного нагнетания, объем которого составляет приблизительно от 5% до 15% всего воздуха, нагнетаемого во время этого цикла, а более предпочтительно - примерно 10% всего воздуха, нагнетаемого в этом цикле. Количество впрыскиваемого топлива будет зависеть главным образом от установок мощности двигателя, при этом количество улавливаемого выхлопного газа является, по меньшей мере, адекватным для испарения впрыскиваемого топлива, а управление количеством воздуха, нагнетаемого во время такта сжатия, осуществляется для получения хорошего воспламенения, да еще и ограничения всплеска давления, а значит и всплеска температуры в цилиндре сгорания при воспламенении в верхней мертвой точке или около нее значительно более низкими температурами, чем требуемые для образования NO. Затем, после верхней мертвой точки, когда давление в цилиндре сгорания начинает значительно уменьшаться, например, приблизительно через 10 градусов - 25 градусов, а предпочтительнее - примерно через 20 градусов после верхней мертвой точки, начинается нагнетание остального воздуха для этого цикла. Это нагнетание воздуха может быть импульсным или непрерывным по потребности, возможно, зависимым от скорости двигателя, для поддержания сгорания с целью, по существу, сохранения давления и температуры в цилиндре сгорания на протяжении существенного угла поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки, например, такого как приблизительно от 20 градусов до 45 градусов, после чего нагнетание воздуха заканчивается и рабочий такт завершается в состоянии готовности к повторению описанного цикла (или некоторого другого цикла, например пропуска цикла).
В только что описанном цикле выхлопной газ, уловленный при закрывании выпускного клапана, будет иметь температуру значительно ниже температуры воспламенения, но достаточно высокую для быстрого испарения топлива, впрыснутого после закрывания выпускного клапана. Управление количеством выхлопного газа, уловленного вместе с количеством воздуха, нагнетенного во время такта сжатия, осуществляется с достижением воспламенения от сжатия в верхней мертвой точке или около нее, предпочтительно с проведением коррекций от цикла к циклу для точного управления работой цилиндра сгорания. Количество воздуха, нагнетаемого во время такта сжатия, конечно, будет составлять относительно малую процентную долю от того, которое соответствует стехиометрическому отношению, но суммарное количество воздуха, нагнетаемого во время всего цикла, будет равно тому, которое соответствует стехиометрическому отношению, или будет превышать его, для гарантии полного сгорания топлива. В этой связи отметим, что, в той степени, в какой количество воздуха, нагнетенного во время предыдущего цикла, превышает то, которое соответствует стехиометрическому отношению, выхлопной газ, уловленный во время следующего цикла, будет иметь некоторое остаточное содержание кислорода. Хотя этого избыточного воздуха не должно быть слишком много, чтобы не вызывать избыточные давления и температуры при воспламенении от сжатия, в предельном случае возможно исключение потребности в нагнетании воздуха во время такта сжатия и исключение любой потребности в более чем одном давлении сжатого воздуха при нагнетании. Хотя это и не предпочтительный цикл эксплуатации ввиду того, что он требует нагнетания всего воздуха под повышенным давлением, он все равно находится в рамках притязаний изобретения.
Следует понять, что в предшествующем описании различных вариантов осуществления настоящего изобретения и в нижеследующей формуле изобретения речь идет об использовании рабочего клапана в общем смысле и о возможности иметь более одного клапана, если контекст не указывает иное. Кроме того, в том смысле, в каком оно употребляется в предшествующем описании и нижеследующей формуле изобретения, выражение «в … или около нее» включает в себя вариант «с любой стороны от … или около нее», если контекст не указывает иное. Так, например, указание события, которое происходит в верхней мертвой точке или около нее, обычно означает, что событие происходит с любой стороны от верхней мертвой точки или около нее.
Хотя некоторые предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения раскрыты и описаны здесь в целях иллюстрации, а не в целях ограничения, специалисты в данной области техники поймут, что в рамках существа и объема притязаний изобретения возможно внесение различных изменений в его форму и элементы.