СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF ICE OPERATION

Изобретение относится к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, изобретение относится к камере сгорания двигателя внутреннего сгорания для выполнения указанного способа.
Двигатели внутреннего сгорания можно в принципе разделить на два вида, а именно на двигатели внутреннего сгорания с принудительным воспламенением и самовоспламенением от сжатия.
В двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением в цилиндры двигателя внутреннего сгорания обычно подают стехиометрическую смесь из воздуха и топлива, после чего поршень сжимает эту смесь и свеча зажигания воспламеняет эту смесь при заданном угле поворота коленчатого вала.
В противоположность этому, двигатели внутреннего сгорания с самовоспламенением от сжатия работают с более высокой степенью сжатия, обычно в диапазоне от 15 до 22. При этом в цилиндр вводят воздух и сжимают. В зоне конца хода сжатия, когда заключенный воздух имеет достаточно высокую температуру, впрыскивают топливо, которое воспламеняется.
Следует учитывать, что будущие предельные значения для выбросов для так называемых применений вне автострад (например, ЕРА Tier4 c 2014 г.) не могут быть больше достигнуты за счет улучшения современных способов сгорания дизельного топлива. Поэтому в будущем будут использоваться сложные системы для снижения токсичности отработавших газов, которые, однако, связаны с большими техническими затратами и повышенной стоимостью. Для выполнения в будущем при сравнительной стоимости норм по вредным выбросам необходимы новые улучшенные способы сгорания.
На основании указанных повышенных требований относительно экономичного расхода топлива и вредных выбросов усиленно предпринимаются попытки разработки высокоэффективных двигателей внутреннего сгорания с самовоспламенением от сжатия с эффективными способами сгорания и низкими вредными выбросами. При этом исследуются, среди прочего, способы сгорания с самовоспламенением от сжатия с предварительно смешанным зарядом (PCCI: premixed charge compression ignition) и способы с самовоспламенением от сжатия с гомогенным зарядом (HCCI: homogeneous charge compression ignition).
В публикации DE 10 2006 007 279 А1 приведено описание способа работы двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением от сжатия, который работает в режиме PCCI с дуальной системой впрыска топлива. При этом за счет впрыска вторичного топлива во входной поток воздуха или непосредственно в цилиндр расширяется граница нагрузки спокойной работы двигателя с самовоспламенением от сжатия.
Описание другого способа PCCI сгорания приведено в публикации US 6659071 В2. В нем первое топливо смешивают с входным воздухом, а второе топливо впрыскивают непосредственно в цилиндр.
Для исключения возникновения частиц вредных веществ и оксида азота уже в камере сгорания в последние годы усиленно исследуются способы HCCI сгорания. При гомогенном самовоспламенении в камеру сгорания вводят гомогенную бедную смесь топлива и воздуха, которая одновременно воспламеняется в камере сгорания во время такта сжатия. Для предотвращения неприемлемо высоких градиентов давления необходимо сильное разбавление заряда, за счет чего возникают значительно меньшие локальные температуры сгорания, и тем самым также почти не происходит термического образования оксида азота. На основании гомогенной бедной смеси, которая сгорает почти одновременно, не образуются частицы сажи.
Представлено множество способов HCCI сгорания, которые отличаются в основном способом образования смеси. Например, имеются способы PREDIC, HCDC, HCLI, HPLI и т.д. В этих способах сгорания впрыск и сгорание дизельного топлива происходят максимально независимо друг от друга, так что нет возможности непосредственного воздействия на начало сгорания, которое сильно влияет на вредные выбросы и расход топлива. Кроме того, следует учитывать то, что способы HCCI сгорания за счет обедненного, холодного сгорания имеют повышенный вредный выброс не сгоревших углеводородов (НС) и моноксида углерода (СО). Другой недостаток состоит в ограниченном диапазоне характеристик, в котором может быть реализован способ HCCI. Ограничивающими факторами являются максимально допустимый градиент давления и допустимое максимальное давление, так что уже в диапазоне частичных нагрузок необходимо переключаться на соответствующие обычные способы сгорания, т.е. с самовоспламенением от сжатия или с принудительным воспламенением. Эти ограничивающие величины сильно зависят от применяемого двигателя и случая применения. При высоких нагрузках возникают, несмотря на разбавление заряда, крутые градиенты давления, которые ограничивают рабочий диапазон способов HCCI сгорания.
Предлагаемый способ служит для эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, в котором обычно сильно разбавленную отработавшими газами и/или воздухом гомогенную основную смесь зажигают за счет дополнительного впрыска пилот-топлива, при этом момент впрыска пилот-топлива выбран так, что происходит неполная гомогенизация, т.е. происходит лишь частичная гомогенизация пилот-топлива с основной смесью.
В одном варианте выполнения пилот-топливо впрыскивают примерно при угле 70-20є поворота коленчатого вала перед верхней мертвой точкой зажигания, предпочтительно 70-30є поворота коленчатого вала перед верхней мертвой точкой зажигания.
В качестве пилот-топлива можно применять дизельное топливо. В одном варианте выполнения количество пилот-топлива соответствует примерно 5-15% общего количества топлива, при высокой нагрузке меньше, а именно примерно 5%, чем при низкой нагрузке, а именно примерно 15%.
В качестве топлива для основной смеси можно применять бензин. В качестве другого топлива для гомогенной основной смеси можно применять изооктан, этанол, метанол, LNG, LPG или CNG. Основная смесь может наряду с этими топливами содержать также долю дизельного топлива. Альтернативами для пилот-топлива являются n-гептан, керосин или лигроин.
Кроме того, можно выбирать момент впрыска в зависимости от определенных краевых условий. Так, можно устанавливать момент впрыска в зависимости от количества отверстий впрыска.
В одном варианте выполнения способа применяют 6-12 отверстий для впрыска пилот-топлива.
Давление впрыска пилот-топлива может лежать между 300 и 1200 бар, предпочтительно между 800 и 1200 бар.
Основную смесь можно получать с помощью впрыска во впускной трубопровод или прямого впрыска.
Указанная камера сгорания в двигателе внутреннего сгорания служит для способа сгорания, в частности способа сгорания указанного выше вида, и имеет первое устройство для ввода топлива для основной смеси и впрыскивающее устройство для впрыска пилот-топлива, при этом камера сгорания выполнена так, что этот впрыск осуществляется в зависимости от угла поворота коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
В одном варианте выполнения предусмотрено 6-12 отверстий для впрыска пилот-топлива.
Могут быть предусмотрены внешняя рециркуляция отработавших газов и двухступенчатый наддув.
С помощью указанного способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания осуществляется так называемый способ сгорания с двумя топливами, с помощью которого можно управлять самовоспламенением сильно разбавленной отработавшими газами и/или воздухом гомогенной воздушной смеси с помощью пилотного впрыска небольшого количества легко воспламеняющегося топлива. Топливо в основной смеси является, например, бензином. В качестве пилот-топлива можно использовать дизельное топливо. При этом пилот-топливо должно попадать в камеру сгорания в определенный момент времени, с целью, с одной стороны, осуществления управления сгоранием и, с другой стороны, для обеспечения очень небольшого выброса сажи и оксида азота.
Способ требует, по меньшей мере в некоторых вариантах выполнения, чрезвычайно сильного загрузочного разбавления с помощью внешней рециркуляции отработавших газов (AGR), поскольку воспламеняемость смеси повышается за счет целенаправленного пилотного впрыска (впрыска пилот-топлива).
В противоположность известным способам HCCI указанный способ сгорания можно использовать во всем диапазоне характеристик двигателя. В частности, могут быть выполнены будущие нормы вредных выбросов без сложной и повышающей стоимость обработки отработавших газов. Кроме того, обеспечивается возможность использования различных топлив.
Таким образом, в представленном способе сгорания с двумя топливами сильно разбавленную воздухом и/или отработавшими газами гомогенную основную смесь надежно и быстро воспламеняют посредством гетерогенного впрыска небольшого количества легко воспламеняющегося пилот-топлива (например, дизельного топлива, например EN590, керосина), составляющего примерно 5-15% общего количества топлива. Тем самым можно использовать преимущества способа HCCI сгорания, при этом одновременно предотвращаются связанные с ним недостатки. Впрыск легко воспламеняющегося пилот-топлива обеспечивает возможность управления сгоранием. Одновременно это обеспечивает надежное воспламенение также при очень высоких степенях внешней рециркуляции отработавших газов (AGR). При этом момент времени впрыска пилот-топлива оказывает решающее влияние на сгорание и вредные выбросы.
Таким образом, в одном варианте выполнения речь идет о способе HCCI сгорания бензина, в котором самовоспламенением управляют посредством подачи легко воспламеняющегося топлива.
Другой способ сгорания с двумя топливами отличается соединением способа HCCI сгорания бензина с механическим выполнением и областью применения больших дизельных двигателей. Эта комбинация позволяет перекрывать все поле характеристик двигателя применения C&I. Тем самым отпадает необходимость переключения между двумя способами сгорания, что в свою очередь облегчает возможность управления, соответственно, регулирования и обеспечивает самый низкий выброс оксидов азота и сажи. В принципе возможно также применение в области судовых двигателей и генераторов.
При применении гомогенного сгорания дизельного топлива (способ HCCI сгорания дизельного топлива) высокая воспламеняемость дизельного топлива приводит к таким высоким градиентам давления, что могут быть превышены пределы механической нагрузки даже больших дизельных двигателей. Поэтому способ HCCI сгорания дизельного топлива необходимо использовать преимущественно в диапазоне частичных нагрузок (меньше 50% максимальной нагрузки). При этом следует учитывать, что при сегодняшней структуре (максимальное пиковое давление меньше 100 бар в безнаддувных двигателях) бензиновых двигателей и требованиях к акустике и холодному запуску способ HCCI сгорания бензина также должен применяться лишь при низких нагрузках и скоростях вращения.
В противоположность этому, дизельные двигатели обеспечивают оптимальные краевые условия для способа HCCI сгорания бензина. Эти двигатели могут быть снабжены внешней рециркуляцией отработавших газов (AGR) и двухступенчатым наддувом, так что уже имеются компоненты для необходимого разбавления заряда. За счет высокого допустимого пикового давления до 230 бар возможно сильное разбавление (60%) с помощью внешней рециркуляции отработавших газов (AGR), без достижения пределов механической нагрузки. Высокая степень рециркуляции отработавших газов имеет целью установку желаемого начала сгорания и желаемой длительности сгорания заряда. Степень рециркуляции отработавших газов можно выбирать в зависимости от нагрузки и скорости вращения. По сравнению с применением в легковом автомобиле дополнительно допустимы значительно более высокие градиенты давления, например 100 бар/мс, так что можно достигать без ограничений эффективного среднего давления 20 бар при скорости вращения 1300 об/мин. Для этого необходимо согласовывать двухступенчатый турбонаддув отработавших газов (ATL) с предоставлением необходимого воздуха при максимальном крутящем моменте. Турбины для ATL необходимо выбирать из-за требуемой степени рециркуляции отработавших газов для разбавления заряда в камере сгорания относительно их пропускной способности в 3-4 раза меньше по сравнению с обычными применениями в дизельных двигателях.
Поскольку температура заряда цилиндров оказывает решающее влияние на положение сгорания двойного топлива (т.е. из двух топлив), должна быть предусмотрена охлаждаемая внешняя рециркуляция отработавших газов (AGR), с целью достижения максимального крутящего момента и максимальной мощности.
Другие преимущества и варианты выполнения изобретения следуют из описания и прилагаемых чертежей.
Понятно, что указанные выше и поясняемые ниже признаки применимы не только в указанных комбинациях, но также в других комбинациях или по отдельности, без выхода за рамки данного изобретения.
Ниже приводится подробное описание изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - различные образования смеси при работе с двумя топливами (в режиме двойного топлива);
фиг. 2 - графики изменения давления в зависимости от момента времени впрыска;
фиг. 3 - ход впрыска и сгорания.
На фиг. 1 показаны различные образования смеси с соответствующим сгоранием в режиме двойного топлива. При этом впрыск пилот-топлива происходит в различные моменты времени относительно верхней мертвой точки зажигания (ZOT).
На левой стороне чертежа показана камера 10 сгорания, в которой имеется гомогенная зона 12 смеси бензина и дизельного топлива, при этом вводится пилотная струя 14 (струя пилот-топлива).
В середине чертежа показана другая камера 20 сгорания с зоной 22 смеси бензина и дизельного топлива и фронтом 24 пламени.
На правой стороне чертежа показана третья камера 30 сгорания с пилотной струей 32 и фронтом 34 пламени.
x
Фиг. 1 иллюстрирует влияние момента времени впрыска на количество пилот-топлива. Если пилот-топливо впрыскивается в камеру 10 сгорания очень рано, например, при угле 180-70є поворота коленчатого вала перед ZOT, то легко воспламеняющееся пилот-топливо смешивается до ZOT почти полностью с основной смесью, что соответствует способу HCCI сгорания. В этом случае момент времени впрыска не оказывает влияния на положение сгорания. Очень ранние моменты времени впрыска приводят к чрезвычайно низкому выбросу сажи и NO.
Если пилот-топливо попадает в камеру 20 сгорания примерно при угле 70-20є поворота коленчатого вала перед ZOT, то для гомогенизации с основной смесью имеется меньше времени. Поскольку температура в этот момент времени еще недостаточна для зажигания пилот-топлива, то имеет место частичная гомогенизация и зажигание начинается в более обогащенных зонах, которые образуются вследствие струи пилот-топлива. При этом частицы и оксиды азота остаются на одинаковом, очень низком уровне, как при полностью гомогенном сгорании в камере 10 сгорания. Однако в этом случае можно управлять положением сгорания с помощью клапана впрыска. При этом ранний впрыск в указанном диапазоне углов приводит к позднему сгоранию, поскольку при этом уровень давления и температуры ниже, чем при позднем впрыске, который имеет меньшую задержку зажигания.
x
Если пилот-топливо впрыскивается, как показано на правой стороне фиг. 1, при угле примерно 20-0є поворота коленчатого вала перед ZOT, то гомогенизация происходит все еще недостаточно, и сгорание сдвигается к более ранним моментам времени с сильными явлениями детонации. При этом значительно возрастает выброс сажи и NO.
Из фиг. 1 следует, что необходимо стремиться к впрыску пилот-топлива в диапазоне углов примерно 70-20є поворота коленчатого вала перед ZOT, при этом количество пилот-топлива составляет примерно 5-15% общего количества топлива. Однако следует учитывать, что этот диапазон изменяется в зависимости от других краевых условий, таких как, например, количество отверстий впрыска в форсунке пилот-топлива. При увеличивающемся количестве отверстий впрыска улучшается гомогенизация топлива, так что при двенадцати отверстиях впрыска можно по сравнению с шестью отверстиями впрыска осуществлять впрыск примерно на 10-20є поворота коленчатого вала позже, без выхода за частично гомогенный диапазон.
Было установлено, что целесообразно количество отверстий впрыска от 6 до 12, предпочтительно 8-12, при этом их пространственное расположение также значительно влияет на сгорание. За счет расположения отверстий впрыска в два или больше каскадов в соединении с различными углами отверстий впрыска можно значительно лучше распределять топливо в камере сгорания. Очаги зажигания возникают при лучшем пространственном распределении, при этом падает склонность к детонации.
Кроме того, было установлено, что целесообразно давление впрыска пилот-топлива от 300 до 1200 бар. Более высокие давления не требуются ввиду небольшого количества пилот-топлива.
Необходимая степень внешней рециркуляции отработавших газов (AGR) изменяется в зависимости от точки нагрузки. Хотя вплоть до индикаторных средних давлений в 11 бар достаточно разбавление воздухом, и при необходимости степень AGR в 15% приводит к преимуществам относительно расхода топлива и вредных выбросов, при индикаторном среднем давлении 16 бар требуется степень внешней AGR 50-60% для предотвращения детонационного сгорания и обеспечения умеренных скоростей нарастания давления.
Следует отметить, что гомогенную основную смесь можно получать как с помощью впрыска во впускной коллектор, так и с помощью прямого впрыска.
Запуск двигателя внутреннего сгорания происходит в одном варианте выполнения со 100% пилот-топлива. При достижении двигателем рабочей температуры (60-80є температуры воды) постепенно увеличивается доля основной смеси, пока количество пилот-топлива не составит лишь еще примерно 5-15% общего количества топлива. При нагрузках больше 3 бар среднего эффективного давления и скорости вращения больше 1000 об/мин это количество составляет примерно 10%, при нагрузках больше 12 бар среднего эффективного давления - примерно 5%. В диапазоне холостого хода количество пилот-топлива может быть при необходимости увеличено (15%), с целью обеспечения надежного зажигания. В этом случае впрыск пилот-топлива происходит между 70 и 20є угла поворота коленчатого вала. При увеличивающейся нагрузке двигателя степень AGR повышается с 0% при холостом ходе до примерно 50-70% при полной нагрузке.
На фиг. 2 показаны различные графики изменения давления в зависимости от угла поворота коленчатого вала (єKW). При этом по оси 50 абсцисс отложен угол поворота коленчатого вала в єKW, а на оси 52 ординат - давление в цилиндре.
Первая кривая показывает ход при моменте времени впрыска пилот-топлива при угле 10є поворота коленчатого вала перед ZOT. Вторая кривая 56 показывает ход при угле 25є поворота коленчатого вала перед ZOT. Третья кривая 58 показывает зависимость при угле 35є поворота коленчатого вала перед ZOT.
На фиг. 3 показан график впрыска и сгорания. При этом по оси 70 абсцисс отложен угол поворота коленчатого вала в єKW. Кривая 72 показывает ход давления в цилиндре. В момент 74 времени происходит впрыск пилот-топлива. В промежуток 76 времени происходит впрыск бензина (бензиновое топливо). В момент 78 времени открывается впуск. Как показано на фиг. 3, впрыск пилот-топлива происходит во время сжатия.