Топливный клапан для впрыска газообразного топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением и способ
FUEL INJECTION VALVE FOR GASEOUS FUEL INTO THE COMBUSTION CHAMBER OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH AUTO-IGNITION AND METHOD

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к клапану для газообразного топлива для двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением и с системой подачи газообразного топлива, в частности к клапану для газообразного топлива для большого низкоскоростного прямоточного двухтактного двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом с системой подачи газообразного топлива.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В двигательных системах крупных судов или приводах на электростанциях, как правило, используются большие низкоскоростные двухтактные (дизельные) двигатели крейцкопфного типа с самовоспламенением. Очень часто эти двигатели работают на мазуте или на дизельном топливе.
В недавнем прошлом возник спрос на большие двухтактные дизельные двигатели, выполненные с возможностью работы на альтернативных видах топлива, таких как газ, угольная суспензия, нефтяной кокс и т.п., в особенности газ.
2
Газообразное топливо, например природный газ, является относительно чистым топливом, в результате чего при его использовании в качестве топлива для большого низкоскоростного прямоточного двухтактного двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом наблюдаются значительно более низкие уровни сернистых компонентов, NOx и CO в выхлопных газах по сравнению, например, с использованием в качестве топлива дизельного топлива.
Тем не менее существуют проблемы, связанные с использованием газообразного топлива в больших низкоскоростных прямоточных двухтактных двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом. Одной из этих проблем является готовность и предсказуемость газа к самовоспламенению при впрыске в камеру сгорания, при этом и то, и другое в двигателе с самовоспламенением необходимо держать под контролем. Таким образом, в существующих больших низкоскоростных прямоточных двухтактных двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом используется предварительный впрыск масла или другой воспламеняющей жидкости одновременно с впрыском газообразного топлива, чтобы обеспечить надежное и должным образом синхронизированное воспламенение газообразного топлива.
Большие низкоскоростные прямоточные двухтактные двигатели внутреннего сгорания с турбонаддувом, как правило, используются для приведения в движение больших океанских грузовых судов, и поэтому надежность имеет первостепенное значение. Работа этих двигателей на газообразном топливе представляет собой все еще сравнительно недавнюю разработку, и надежность работы с газом пока не достигла уровня традиционного топлива. Таким образом, все существующие большие низкоскоростные двухтактные дизельные двигатели представляют собой двигатели, предназначенные для работы с двумя топливами, с топливной системой для работы на газообразном топливе и с топливной системой для работы с дизельным топливом, так что они могут работать на полной мощности, работая только на дизельном топливе.
Эти двигатели из-за большого диаметра их камер сгорания, как правило, снабжены тремя клапанами впрыска топлива на цилиндр, разделенными углом приблизительно в 120° вокруг центрального выпускного клапана. Таким образом, при использовании двойной топливной системы имеется три клапана газообразного топлива на цилиндр и три клапана дизельного топлива на цилиндр, причем один топливный клапан для впрыска дизельного топлива расположен близко к соответствующему клапану для впрыска газа таким образом, чтобы обеспечивать надежное воспламенение газообразного топлива и, таким образом, верхняя крышка цилиндра является относительно перегруженным местом.
Чтобы обеспечить предварительный впрыск дизельного топлива во время работы с газообразным топливом, в существующих двигателях с двойной топливной системой используются клапаны для дизельного топлива. Эти клапаны имеют такие размеры, чтобы быть в состоянии доставлять дизельное топливо в количестве, необходимом для работы двигателя с полной нагрузкой только на дизельном топливе. Тем не менее количество дизельного топлива, вводимого в предварительном впрыске, должно быть как можно меньше, чтобы получить требуемое снижение выхлопов. Дозирование такого небольшого количества с полноразмерной системой впрыска топлива, которая также может доставлять большое количество топлива, необходимого для работы при полной нагрузке, создает значительные технические проблемы, и на практике его очень трудно достичь, и поэтому дозирование предварительного впрыскиваемого за один впрыск дизельного топлива в существующих двигателях больше, чем требуется, особенно при средней и низкой нагрузке. Альтернатива в виде дополнительной небольшой системы впрыска, которая может управлять небольшим предварительным количеством, представляет собой значительное усложнение конструкции и повышение стоимости. Кроме того, дополнительные небольшие клапаны предварительного впрыска дизельного топлива делают верхнюю крышку цилиндра еще более перегруженной.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
С учетом такого уровня техники целью настоящей заявки является выполнение топливного клапана для двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением, который преодолевает или по меньшей мере уменьшает указанные выше проблемы.
Эта цель в соответствии с одним аспектом достигается путем создания топливного клапана для впрыска газообразного топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением, причем топливный клапан содержит удлиненный корпус с задним концом и передним концом, форсунку, выполненную с отверстиями, открытыми во внутренний объем внутри форсунки, и расположенную на переднем конце удлиненного корпуса клапана; впускное отверстие для газообразного топлива в удлиненном корпусе топливного клапана для соединения с источником газообразного топлива высокого давления; выполненную с возможностью осевого перемещения иглу клапана, вставленную с возможностью скольжения в продольный канал удлиненного корпуса клапана, причем указанная игла клапана имеет закрытое положение и открытое положение, при этом указанная игла клапана в закрытом положении опирается на седло клапана, а в открытом положении приподнята от седла клапана, причем седло клапана расположено между топливной камерой и выпускным отверстием, топливная камера проточно соединена с впускным отверстием для газообразного топлива, а выпускное отверстие проточно соединено с внутренним объемом в форсунке; при этом клапан также содержат систему привода для управляемого перемещения выполненной с возможностью осевого перемещения иглы клапана между закрытым положением и открытым положением; впускное отверстие для воспламеняющей жидкости для соединения с источником воспламеняющей жидкости высокого давления; и канал подачи воспламеняющей жидкости, соединяющий впускное отверстие для воспламеняющей жидкости с топливной камерой, причем канал подачи воспламеняющей жидкости имеет постоянный гидравлический ограничительный элемент, выполненный с возможностью дросселирования потока воспламеняющей жидкости из впускного отверстия для воспламеняющей жидкости в топливную камеру, с обеспечением возможности накопления небольшого количества воспламеняющей жидкости при постоянном потоке воспламеняющей жидкости через постоянный гидравлический ограничительный элемент в топливной камере над седлом клапана, когда игла клапана опирается на седло клапана.
Благодаря контролируемой медленной и непрерывной доставке воспламеняющей жидкости в топливную камеру в нижней части камеры для газообразного топлива, непосредственно над седлом клапана, в тот период цикла двигателя, когда игла клапана упирается в седло клапана, может быть сформирован небольшой резервуар воспламеняющей жидкости. Когда игла клапана поднимается в соответствующий момент времени цикла двигателя, газообразное топливо под высоким давлением в топливной камере протекает к полой внутренней части форсунки, т.е. во внутренний объем. Небольшое количество воспламеняющей жидкости, которое накопилось над седлом клапана во время закрытия топливного клапана, проталкивается перед газообразным топливом и, следовательно, воспламеняющая жидкость поступает во внутренний объем в форсунке непосредственно перед газообразным топливом. Сочетание горячего сжатого воздуха, который уже присутствует во внутреннем объеме из-за сжатия продувочного воздуха в камере сгорания, воспламеняющей жидкости и газообразного топлива приводит к воспламенению уже внутри форсунки.
В первой возможной реализации первого аспекта постоянный гидравлический ограничительный элемент представляет собой элемент управления потоком в виде пропускного отверстия с постоянным сечением.
Во второй возможной реализации первого аспекта выполненная с возможностью осевого перемещения игла клапана вставлена с возможностью скольжения в продольный канал с зазором между иглой и каналом, причем на одном конце продольного канала зазор открыт в топливную камеру, при этом канал подачи воспламеняющей жидкости переносит воспламеняющую жидкость в зазор, и зазор образует указанный постоянный гидравлический ограничительный элемент.
В третьей возможной реализации первого аспекта воспламеняющая жидкость действует в зазоре в качестве герметизирующей жидкости.
В четвертой возможной реализации первого аспекта канал подачи воспламеняющей жидкости проходит от впускного отверстия для воспламеняющей жидкости к отверстию, открытому в продольный канал, для доставки воспламеняющей жидкости в зазор между продольным каналом и выполненной с возможностью осевого перемещения иглой клапана.
В пятой возможной реализации первого аспекта источник воспламеняющей жидкости имеет давление, которое выше, чем давление источника газообразного топлива.
В шестой возможной реализации первого аспекта выполненная с возможностью осевого перемещения игла клапана функционально соединена с выполненным с возможностью осевого перемещения приводным поршнем, который с возможностью скольжения вставлен в корпус и вместе с корпусом ограничивает приводную камеру, которая проточно соединена с управляющим отверстием для соединения с источником масла контура управления.
В седьмой возможной реализации первого аспекта указанная игла выступает из продольного канала в топливную камеру таким образом, что топливная камера окружает часть указанной иглы.
В восьмой возможной реализации первого аспекта канал подачи воспламеняющей жидкости проходит в корпусе и через указанную иглу для проточного соединения отверстия для воспламеняющей жидкости с зазором.
В девятой возможной реализации первого аспекта форсунка содержит основание и удлиненный корпус, причем форсунка соединена своим основанием с передним концом удлиненного корпуса клапана, и при этом форсунка имеет закрытый кончик с отверстиями, расположенными вблизи кончика.
Указанная выше цель также достигается в соответствии со вторым аспектом, обеспечивая двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением и с цилиндрами, системой газообразного топлива высокого давления, системой подачи воспламеняющей жидкости высокого давления, одним или несколькими топливными клапанами, выполненными в соответствии с первым аспектом изобретения и расположенными на цилиндрах двигателя, причем топливные клапаны соединены с системой газообразного топлива высокого давления и с системой подачи воспламеняющей жидкости.
В первой возможной реализации второго аспекта двигатель выполнен с возможностью самовоспламенения впрыскиваемого газообразного топлива с помощью воспламеняющей жидкости, накопленной в топливной камере и без использования другого оборудования воспламенения.
Во второй возможной реализации второго аспекта двигатель выполнен с возможностью воспламенения газообразного топлива при поступлении газообразного топлива во внутренний объем внутри форсунки.
В третьей возможной реализации второго аспекта источник газообразного топлива доставляет газообразное топливо под высоким давлением в топливные клапаны, при этом источник воспламеняющей жидкости выполнен с возможностью доставки воспламеняющей жидкости под давлением, которое выше, чем давление источника газообразного топлива.
Указанная выше цель также достигается в соответствии с третьим аспектом, обеспечивая способ управления двигателем внутреннего сгорания с самовоспламенением, включающий подачу сжатого газообразного топлива под первым высоким давлением в топливный клапан двигателя, имеющий полую форсунку с отверстиями, соединяющими внутреннюю часть форсунки с камерой сгорания в цилиндре двигателя; подачу воспламеняющей жидкости под вторым высоким давлением в топливный клапан, причем второе высокое давление выше, чем первое высокое давление; управление впрыском газообразного топлива с помощью выполненной с возможностью перемещения иглы клапана, которая взаимодействует с седлом клапана выше полой форсунки, причем топливная камера расположена выше седла клапана; повышение давления в топливной камере с помощью сжатого газообразного топлива; подачу небольшого непрерывного потока воспламеняющей жидкости в топливную камеру и обеспечение возможности накопления воспламеняющей жидкости над седлом клапана во время периодов, когда указанная игла опирается на седло клапана, запуск впрыска газообразного топлива путем поднятия указанной иглы клапана от седла клапана, приводя тем самым к поступлению накопленной воспламеняющей жидкости в полую форсунку непосредственно перед поступлением туда газообразного топлива.
В первой возможной реализации третьего аспекта газообразное топливо воспламеняют внутри форсунки с помощью воспламеняющей жидкости.
Во второй возможной реализации третьего аспекта температуру форсунки поддерживают выше 300°C в течение всего цикла управления двигателем.
Указанная выше цель также достигается в соответствии с четвертым аспектом, обеспечивая топливный клапан для впрыскивания газообразного топлива в камеру сгорания большого двухтактного низкоскоростного двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением и с турбонаддувом, причем топливный клапан содержит удлиненный корпус с задним концом и передним концом; форсунку с отверстиями, открытыми во внутренний объем внутри форсунки, причем форсунка расположена на переднем конце удлиненного корпуса клапана, содержит основание и удлиненный корпус и соединена своим основанием с передним концом удлиненного корпуса клапана, при этом форсунка имеет закрытый кончик, а отверстия форсунки расположены близко к кончику; впускное отверстие для газообразного топлива, выполненное в удлиненном корпусе топливного клапана для соединения с источником газообразного топлива высокого давления; выполненную с возможностью осевого перемещения иглу 61 клапана, вставленную с возможностью скольжения в продольный канал удлиненного корпуса клапана, причем указанная игла имеет закрытое положение и открытое положение, и в закрытом положении игла опирается на седло клапана, а в открытом положении игла приподнята от седла клапана, причем седло клапана расположено между топливной камерой и выпускным отверстием, при этом топливная камера проточно соединена с впускным отверстием для газообразного топлива, а выпускное отверстие проточно соединено с внутренним объемом в форсунке; приводную систему для управляемого перемещения указанной иглы клапана между закрытым положением и открытым положением; впускное отверстие для воспламеняющей жидкости для соединения с источником воспламеняющей жидкости высокого давления, и канал подачи воспламеняющей жидкости, соединяющий впускное отверстие для воспламеняющей жидкости с топливной камерой.
В первой возможной реализации четвертого аспекта канал подачи воспламеняющей жидкости содержит постоянный гидравлический ограничительный элемент.
Дальнейшие цели, признаки, преимущества и свойства клапана газообразного топлива, двигателя и способа, которые выполнены в соответствии с настоящим изобретением, станут очевидными из подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В нижеследующей подробной части настоящего описания настоящее изобретение описано более подробно со ссылкой на иллюстративные варианты выполнения, показанные на чертежах, на которых:
Фиг. 1 изображает вид спереди большого двухтактного дизельного двигателя, выполненного в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения,
Фиг. 2 представляет собой вид сбоку большого двухтактного двигателя, изображенного на Фиг. 1,
Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение большого двухтактного двигателя, изображенного на Фиг. 1, и
Фиг. 4 представляет собой схематический разрезе иллюстративного варианта выполнения системы газообразного топлива двигателя, изображенного на Фиг. 1, а именно верхней части цилиндра,
Фиг. 5 представляет собой схематический вид сверху цилиндра и системы впрыска газообразного топлива в варианте выполнения, изображенном на Фиг. 4, и
Фиг. 6 представляет собой вид в разрезе клапана для впрыска газообразного топлива для использования в двигателе, показанном на Фиг. 1, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения,
Фиг. 7 представляет собой фрагмент разреза, изображенного на Фиг. 6,
Фиг. 8 показывает подробный фрагмент разреза другого иллюстративного варианта выполнения клапана для впрыска газообразного топлива для использования в двигателе, показанном на Фиг. 1,
Фиг. 9 представляет собой вид сверху топливного клапана, показанного на Фиг. 6-8,
Фиг. 10 представляет собой вид в разрезе форсунки для использования с топливным клапаном, показанным на Фиг. 6-9,
Фиг. 11 представляет собой вид в разрезе, иллюстрирующий положение топливного клапана, изображенного на Фиг. 6-9, в крышке цилиндра, и
Фиг. 12 представляет собой вид в разрезе клапана для впрыска газообразного топлива, выполненного в соответствии с другим вариантом выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
В последующем подробном описании двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением описан со ссылкой на большой двухтактный низкоскоростной (дизельный) двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом, описанный в иллюстративных вариантах выполнения. Фиг. 1, 2 и 3 показывают большой низкоскоростной двухтактный дизельный двигатель с турбонаддувом с коленчатым валом 42 и крейцкопфами 43. На Фиг. 3 показано схематическое представление большого низкоскоростного двухтактного дизельного двигателя с турбонаддувом с его системами впуска и выхлопа. В этом иллюстративном варианте выполнения двигатель имеет четыре цилиндра 1, расположенные в ряд. Большие низкоскоростные двухтактные дизельные двигатели с турбонаддувом имеют, как правило, от четырех до четырнадцати цилиндров в ряд, установленных в раме 13 двигателя. Двигатель может, например, использоваться в качестве основного двигателя в океанском судне или в качестве стационарного двигателя для управления генератором на электростанции. Полная выходная мощность двигателя может, например, составлять от 1000 до 110000 кВт.
Двигатель в этом иллюстративном варианте выполнения представляет собой двухтактный дизельный двигатель прямоточного типа с продувочными отверстиями в нижней части цилиндров 1 и с центральным выпускным клапаном 4 в верхней части цилиндров 1. Продувочный воздух проходит из ресивера 2 продувочного воздуха в продувочные отверстия (не показаны) отдельных цилиндров 1. Поршень 41 в цилиндре 1 сжимает продувочный воздух, топливо впрыскивается из клапанов для впрыска топлива в крышке цилиндра, после чего следует сгорание и генерируется выхлопной газ. Когда выпускной клапан 4 открыт, выхлопной газ проходит через выхлопной канал, связанный с цилиндром 1, в ресивер 3 выхлопного газа и далее через первый выхлопной канал 18 в турбину 6 турбокомпрессора 5, из которого выхлопной газ протекает через второй выхлопной канал через экономайзер 28 к выпускному отверстию 29 и в атмосферу. Посредством вала турбина 6 приводит в движение компрессор 9, в который через впускное отверстие воздушного компрессора 10 подается свежий воздух. Компрессор 9 доставляет сжатый продувочный воздух в продувочный воздуховод 11, ведущей к ресиверу 2 продувочного воздуха.
Продувочный воздуховод 11 проходит промежуточный охладитель 12 для охлаждения продувочного воздуха, который выходит из компрессора при температуре приблизительно 200°C, до температуры между 36°C и 80°С.
Охлажденный продувочный воздух проходит через дополнительный вентилятор 16, приводимый в действие электродвигателем 17, который повышает давление потока продувочного воздуха, когда компрессор 9 турбонагнетателя 5 не обеспечивает достаточного давления для ресивера 2 продувочного воздуха, то есть в условиях низкой или неполной нагрузки на двигатель. При более высоких нагрузках на двигатель компрессор 9 турбонагнетателя обеспечивает достаточное количество сжатого продувочного воздуха, и тогда вспомогательный вентилятор 16 обходится через обратный клапан 15.
В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения Фиг. 4 и 5 показывают верхнюю часть одного из нескольких цилиндров 1. Верхняя крышка 48 цилиндров 1 имеет три клапана 50 газообразного топлива, предназначенные для впрыскивания газообразного топлива из выпускного отверстия топливных клапанов 50, например форсунки, в камеру сгорания в цилиндре 1.
В данном описании «газообразное топливо» в широком смысле определяется как любое горючее топливо, которое при атмосферном давлении и температуре окружающей среды находится в газовой фазе.
Этот иллюстративный вариант выполнения показывает три клапана 50 газообразного топлива на цилиндр, но следует понимать, что может быть достаточно один или два клапана газообразного топлива, в зависимости от размера камеры сгорания. Клапан 50 газообразного топлива имеет впускное отверстие 53, соединенное с каналом 62 подачи газообразного топлива, который подает газообразное топливо в клапан 50 газообразного топлива под высоким давлением. Один из трех клапанов 50 газообразного топлива имеет канал 62 подачи, а два других клапана 50 газообразного топлива питаются из канала 63 подачи. В этом варианте выполнения каналы 62, 63 подачи представляют собой просверленные отверстия в верхней крышке 48, которые соединяются с аккумулятором 60 газа, связанным с цилиндром 1. Аккумулятор 60 газа получает газ высокого давления из системы подачи газа (не показана), которая содержит газовые резервуары и насосы высокого давления.
Клапан 50 газообразного топлива также имеет впускное отверстие, соединенное с источником, таким как, например, 57, воспламеняющей жидкости под давлением, такой как уплотняющее масло, морское дизельное топливо, биодизель, смазочное масло, мазут или диметиловый эфир (DME), и выполнен с возможностью доставки воспламеняющей жидкости под высоким давлением, которое выше, чем давление газообразного топлива на более или менее постоянную величину. Источник 57 воспламеняющей жидкости имеет давление, которое по меньшей мере немного выше давления источника 60 газообразного топлива.
Каждый цилиндр 1 в этом иллюстративном варианте выполнения имеет аккумулятор 60 газообразного топлива. Аккумулятор 60 газообразного топлива содержит некоторое количество газообразного топлива под высоким давлением (например, приблизительно 300 бар), которое готово к доставке в топливные клапаны 50 цилиндра 1. Каналы 62, 63 подачи газообразного топлива проходят между аккумулятором 60 газообразного топлива и соответствующим клапаном 50 газообразного топлива представляющего интерес цилиндра 1.
В выпускном отверстии аккумулятора 60 газообразного топлива выполнена диафрагма 61, которая регулирует поток газообразного топлива от аккумулятора 60 в каналы 62, 63 подачи газообразного топлива.
Три клапана 49 дизельного топлива выполнены в верхней крышке 48 для работы двигателя на дизельном топливе. Клапаны дизельного топлива соединены с источником топлива высокого давления хорошо известным способом. В одном варианте выполнения (не показан) двигатель выполнен с возможностью работы только на газообразном топливе, и в этом варианте выполнения двигатель не имеет топливных клапанов.
Двигатель имеет блок электронного управления (ECU), который управляет работой двигателя. Сигнальные линии соединяют блок электронного управления (ECU) с клапанами 50 газообразного топлива, с клапанами 49 дизельного топлива и с диафрагмами 61.
Блок электронного управления (ECU) выполнен с возможностью правильной синхронизации времени впрыска для клапана газообразного топлива и управления дозировкой газообразного топлива с помощью клапанов 50 газообразного топлива.
Блок электронного управления (ECU) открывает и закрывает диафрагмы 61 таким образом, чтобы гарантировать, что каналы 62, 63 подачи заполнены газообразным топливом под высоким давлением перед началом впрыска газообразного топлива под управлением клапана 50 газообразного топлива.
На Фиг. 6, 7 и 9 изображен топливный клапан 50 для впрыска газообразного топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением и для доставки воспламеняющей жидкости. Топливный клапан 50 имеет удлиненный корпус 52 с задним концом 88 и форсунку 54 на переднем конце. Задний конец 88 имеет несколько отверстий, включая управляющее отверстие 72, отверстие 78 для воспламеняющей жидкости и отверстие 86 для обнаружения утечек газа. Задний конец 88 увеличен в размере и образует головку с отверстиями 94 для вставления болтов (не показаны), которые закрепляют топливный клапан 50 в крышке 48 цилиндра. В настоящем варианте выполнения топливные клапаны расположены вокруг центрального выпускного клапана 4, т.е. относительно близко к стенкам гильзы цилиндра. Удлиненный корпус 52 клапана и другие элементы клапана 50 для впрыска топлива, а также и форсунка в этом варианте выполнения выполнены из стали, например из нержавеющей стали.
Полая форсунка 54 имеет отверстия 56, которые соединены с полой внутренней частью (внутренним объемом) форсунки, и при этом отверстия 56 форсунки распределены по длине и распределены в радиальном направлении по всей форсунке 54. Форсунки расположены аксиально близко к кончику и их радиальное распределение в настоящем варианте выполнения лежит в пределах относительно узкого диапазона приблизительно 50°, а радиальная ориентация отверстий форсунки такова, что форсунки направлены от стенок гильзы цилиндра. Кроме того, форсунки направлены таким образом, что они проходят в том же направлении, что и направление завихрения продувочного воздуха в камере сгорания, вызванного конфигурацией продувочных отверстий.
Кончик 59 форсунки 54 (Фиг. 10) в этом варианте выполнения показан закрытым. Задняя часть или основание 51 форсунки 54 присоединено к переднему концу корпуса 52, так что внутренний объем 55 в форсунке 54 открыт в направлении корпуса 52. В одном варианте выполнения внутренний объем 55 представляет собой продольный канал, проходящий от закрытого кончика к основанию 51 и открытый к задней части форсунки, с тем, чтобы соединять корпус 52 под седлом 69 клапана с отверстием / выпускным отверстием 68 на переднем конце удлиненного клапана.
В продольный канал 77 в удлиненном корпусе 52 клапана с возможностью скольжения вставлена выполненная с возможностью осевого перемещения игла 61 клапана с точно заданным зазором. Игла 61 имеет кончик, который выполнен с возможностью вхождения в уплотнительный контакт с седлом 69, которое установлено в удлиненном корпусе 52 клапана. В одном варианте выполнения седло 69 расположено вблизи переднего конца удлиненного корпуса 52 клапана. Удлиненный корпус 52 имеет впускное отверстие 53 для газообразного топлива для соединения с источником 60 сжатого газообразного топлива, например, через каналы 62, 63 подачи газообразного топлива. Впускное отверстие 53 для газообразного топлива соединено с топливной камерой 58, которая находится в удлиненном корпусе 52 клапана, а топливная камера 58 окружает часть иглы 61 клапана. Седло 69 расположено между топливной камерой 58 и внутренним объемом 55, так что газообразное топливо может перетекать из топливной камеры 58 во внутренний объем 55, когда игла 61 приподнята. Из внутреннего объема 55 газообразное топливо впрыскивается в камеру сгорания цилиндра 1 через отверстия 56 форсунки.
Игла 61 имеет закрытое положение и открытое положение. В закрытом положении игла 61 опирается на седло 69. В своем закрытом положении игла 61, таким образом, предотвращает поток газов из впускного отверстия 53 для газообразного топлива в форсунку 54. В открытом положении игла 61 приподнята от седла 69, обеспечивая тем самым поток из впускного отверстия 53 в форсунку 54.
Предварительно напряженная спиральная пружина 66 действует на иглу 61 и поджимает ее в направлении закрытого положения на седле 69. Тем не менее следует понимать, что для поджатия иглы 61 в направлении закрытого положения могут быть предусмотрены другие средства, такие как давление газа или давление масла. В одном варианте выполнения один конец спиральной пружины 66 входит в зацепление с задним концом удлиненного корпуса 52 клапана, а другой конец спиральной пружины 66 входит в зацепление с расширенным участком или фланцем 83 на заднем конце иглы 61, в результате чего задний конец иглы 61 сформирован приводным поршнем 64.
Клапан 50 газообразного топлива имеет приводную систему для управляемого перемещения иглы 61 между ее закрытым положением и ее открытым положением. В этом варианте выполнения приводная система содержит выполненный с возможностью осевого перемещения приводной поршень 64, который с возможностью скольжения вставлен в цилиндрический участок удлиненного корпуса 52 клапана. Приводной поршень 64 вместе с удлиненным корпусом 52 клапана ограничивает приводную камеру 74. В этом варианте выполнения приводной поршень 64 является неотъемлемой и наиболее задней частью иглы 61 клапана. Тем не менее следует понимать, что приводной поршень 64 может быть функционально соединен с иглой 61 клапана различными способами, например путем резьбового соединения или путем сварки, при этом приводной поршень 64 предпочтительно перемещается одновременно с иглой 61, хотя это не является обязательным условием.
Приводная камера 74 проточно соединена с отверстием 72 для масла контура управления через канал 70 для масла контура управления. Отверстие 72 соединено с электронным клапаном 96 для масла контура управления (Фиг. 4), который, в свою очередь, подсоединен к источнику 97 масла контура управления высокого давления. Электронный клапан 96 предпочтительно имеет тип вкл/выкл и получает электрический сигнал управления от электронного блока управления (ECU), чтобы управлять впрыском.
В других вариантах выполнения (не показаны) игла клапана может приводиться в действие с помощью других средств приведения в действие, например соленоида или линейного электродвигателя.
Приводной поршень 64 снабжен предпочтительно концентрическим цилиндром, который открыт в направлении заднего конца корпуса, а неподвижный поршень 87 установлен с возможностью скольжения внутри этого цилиндра. Поршень 64 может быть выполнен с возможностью перемещения по отношению к неподвижному поршню 87. Цилиндр внутри поршня 64 ограничивает камеру 80 вместе с поршнем 87, который обеспечивает пространство для перемещения поршня 64 в осевом направлении.
Удлиненный корпус 52 клапана имеет отверстие 78 для воспламеняющей жидкости для соединения с источником 57 воспламеняющей жидкости. Канал 76 подачи воспламеняющей жидкости проходит в осевом направлении в удлиненном корпусе клапана и через неподвижный поршень 87 и проточно соединяет отверстие 78 для воспламеняющей жидкости с камерой 80.
Вторая часть канала подачи воспламеняющей жидкости продолжается коаксиально в иглу клапана в качестве канала 82. Радиальные каналы 85 от отверстия проходят в игле 61 клапана из канала 82 к наружной поверхности иглы 61 клапана для обеспечения возможности подачи воспламеняющей жидкости в зазор между удлиненным корпусом 52 клапана и иглой 61 клапана, чтобы тем самым смазывать и герметизировать иглу 61 клапана, обеспечивая, таким образом, возможность использования воспламеняющей жидкости в качестве уплотняющего масла. Воспламеняющая жидкость протекает через зазор как вверх к приводной камере 74, так и вниз к топливной камере 58. Часть воспламеняющей жидкости, протекающей к приводной камере 74, смешивается с маслом контура управления. Это не имеет существенного влияния на масло контура управления. Часть воспламеняющей жидкости, которая протекает к топливной камере 58, накапливается в нижней части топливной камеры 58 как раз над седлом 69 клапана, когда игла 61 клапана опирается на седло 69 клапана, как показано на Фиг. 8.
Размеры зазора точно контролируют и выбирают таким образом, чтобы соответствующее количество воспламеняющей жидкости собиралось в нижней части топливной камеры 58 в течение времени цикла двигателя, когда выполненный с возможностью осевого перемещения элемент 61 клапана опирается на седло 69 клапана. Соответствующее количество воспламеняющей жидкости представляет собой количество, которое является достаточным для создания надежного и стабильного воспламенения, и может, например, иметь значение в диапазоне 0,2 мг до 200 мг в зависимости, например, от размера и нагрузки двигателя. Размеры зазора выбирают такими по отношению к свойствам воспламеняющей жидкости, таким как, например, вязкость, что достигается постоянным потоком воспламеняющей жидкости соответствующей величины, когда источник воспламеняющей жидкости имеет давление, которое несколько выше, чем давление источника газообразного топлива.
Для обнаружения утечек газа канал 84 обнаружения утечек газа в удлиненном корпусе 52 ведет к отверстию 86 для обнаружения утечек газа.
Впрыском газообразного топлива управляют посредством электронного блока управления (ECU) в течение времени открытия клапана 50 газообразного топлива, то есть количество газа, впрыснутого за один впрыск, определяется продолжительностью открытия клапана. Таким образом, по сигналу от электронного блока управления (ECU) давление управляющего масла в приводной камере 74 поднимается, и игла 61 клапана поднимается от седла 69 при перемещении из своего закрытого положения в открытое положение. Игла 61 клапана всегда выполняет полный ход из закрытого положения в открытое положение, когда давление управляющего масла поднимается и повышенное давление в приводной камере 74 приводит к перемещению поршня 64 против силы спиральной пружины 66 в осевом направлении от форсунки 54 и седла 69.
Воспламеняющая жидкость, накопленная в нижней части топливной камеры 58 (Фиг. 8), первой входит во внутренний объем 55 в форсунке 54, а за ней следует газообразное топливо, т.е. газообразное топливо толкает воспламеняющую жидкость вперед и во внутренний объем 55. Таким образом, воспламеняющая жидкость, которая накопилась в камере 58 сгорания, входит во внутренний объем 55 в форсунке 54 как раз впереди газообразного топлива. В момент времени непосредственно перед открытием топливного клапана 50 из-за сжатия продувочного воздуха в камере сгорания внутренний объем 55 заполнен смесью сжатого горячего воздуха и остаточного несгоревшего газообразного топлива (отверстия 56 форсунки обеспечивают поток воздуха из камеры сгорания во внутренний объем 55). Таким образом, сразу после открытия топливного клапана 50 во внутреннем объеме 55 присутствуют горячий сжатый воздух, воспламеняющая жидкость и газообразное топливо. Это приводит к воспламенению газообразного топлива уже внутри полой форсунки 54.
В конце впрыска ECU сбрасывает давление в приводной камере и сила спиральной пружины 66 заставляет иглу 61 клапана вернуться к седлу 69 клапана.
На Фиг. 12 изображен другой вариант выполнения топливного клапана 50, который по существу идентичен варианту выполнения, показанному на предшествующих чертежах, за исключением того, что зазор 77 выполнен таким в отношении вязкости уплотняющего масла, подаваемого от источника герметизации через отверстие 178 и канал 176, осевой канал 182 и радиальные каналы 185, что практически нет утечки уплотняющего масла в камеру сгорания. Вместо этого отдельный канал 99 воспламеняющей жидкости соединяет топливную камеру 58 с отверстием 98 для воспламеняющей жидкости. Канал 99 воспламеняющей жидкости содержит постоянный гидравлический ограничительный элемент 100, например, в виде пропускного отверстия с постоянным сечением для того, чтобы регулировать и контролировать количество воспламеняющей жидкости, которая поступает в топливную камеру 58 во время периода закрытия выполненной с возможностью осевого перемещения иглы 61 клапана.
Отверстие 98 для воспламеняющей жидкости соединено с источником воспламеняющей жидкости под высоким давлением, который имеет давление, которое несколько выше, чем давление источника газообразного топлива. Работа клапана в соответствии с вариантом выполнения, показанным на Фиг. 12, по существу идентична работе топливного клапана, описанного со ссылкой на предшествующие чертежи.
В одном варианте выполнения (не показан) приводное средство содержит соленоид или линейный электродвигатель, при этом поршень и масло контура управления не требуются.
Двигателем внутреннего сгорания с самовоспламенением управляют путем подачи сжатого газообразного топлива при первом высоком давлении в топливный клапан 50 двигателя. Воспламеняющую жидкость подают при втором высоком давлении в топливный клапан 50. Второе высокое давление выше, чем первое высокое давление. Впрыском газообразного топлива управляют с помощью иглы 61 клапана, которая взаимодействует с седлом 69 клапана над полой форсункой 54. Топливная камера 58 расположена над седлом 69 клапана. В топливную камеру 58 нагнетают газообразное топливо. Небольшой непрерывный поток воспламеняющей жидкости подают в топливную камеру 58, и воспламеняющая жидкость накапливается над седлом 69 клапана в периоды времени, когда игла 61 клапана опирается на седло 69 клапана. Впрыск газообразного топлива начинают, поднимая иглу 61 клапана от седла 69 клапана, в результате чего накопленная воспламеняющая жидкость поступает в полую форсунку 54 непосредственно впереди газообразного топлива. Затем газообразное топливо воспламеняют внутри форсунки 54 с помощью воспламеняющей жидкости.
Двигатель выполнен с возможностью самовоспламенения впрыскиваемого газообразного топлива с помощью воспламеняющей жидкости и без использования другого воспламеняющего оборудования.
Двигатель выполнен с возможностью воспламенения газообразного топлива после ввода газообразного топлива в камеру внутри форсунки.
В одном варианте выполнения температуру форсунки 54 поддерживают выше 300°C в течение всего цикла двигателя. В одном варианте выполнения температура внутри полой форсунки 54 в конце такта сжатия приблизительно равна 600 градусам Цельсия.
Термин «содержащий», как используется в формуле изобретения, не исключает другие элементы или этапы. Термины, обозначающие единственное число, используемые в формуле изобретения, не исключают множественное число. Электронный блок управления может выполнять функции нескольких средств, перечисленных в формуле изобретения.
Номера позиций, используемые в формуле изобретения, не должны быть истолкованы как ограничивающие объем изобретения.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было подробно описано с целью иллюстрации, следует понимать, что такие подробности приведены исключительно для этой цели, и при этом специалистами в данной области техники без отступления от объема настоящего изобретения могут быть выполнены различные модификации.