МАШИНА ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ РАБОТЫ МАШИНЫ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND OPERATION METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение касается машины внутреннего сгорания, имеющей предусмотренный для работы на газообразном топливе двигатель внутреннего сгорания. Изобретение касается также способа работы такой машины внутреннего сгорания.
2
Работающие на газообразных топливах машины внутреннего сгорания приобрели возрастающее значение в качестве приводных устройств для автомобилей. Это относится, в частности, также к машинам внутреннего сгорания, работающим на природном газе. Существенная причина этого заключается в прибл. на 25% более низких по сравнению с карбюраторными двигателями выбросах CO, которые, в частности, обоснованы лучшим отношением водорода к углероду природного газа, составляющем до 4:1, в отличие от 1,85:1 у карбюраторного топлива.
Характерный для сгорания основной недостаток природного газа (и других газообразных топлив) по сравнению с жидкими топливами, то есть более низкий коэффициент подачи воздуха вследствие вытеснения всосанного воздуха газообразным и поэтому занимающим относительно большой объем природным газом, который у машин внутреннего сгорания без наддува приводит к прибл. на 10%-15% более низкой мощности, как правило, вследствие экстремально высокой детонационной стойкости природного газа, которая составляет до 130 ROZ, может компенсироваться или даже избыточно компенсироваться соответственно более высоким сжатием в комбинации с наддувом.
В качестве топлива используется природный газ в сжатом с высокой степенью виде под наименованием CNG (Compressed Natural Gas = компримированный природный газ (КПГ)). Для этого природный газ под давлением прибл. 200 бар помещается в один или несколько топливных напорных баков, чтобы можно было помещать как можно больше природного газа в топливные напорные баки, лимитированные по их объемам в связи с весом и в связи с ограниченным конструктивным пространством в автомобилях. Таким образом должны достигаться приемлемые пределы досягаемости для автомобилей с таким приводом.
Работающие на природном газе машины внутреннего сгорания, которые предусмотрены в качестве приводных двигателей для автомобилей, предлагаются в настоящее время в трех разных вариантах.
Так называемые бивалентные машины внутреннего сгорания могут альтернативно работать на природном газе или карбюраторном топливе, при этом для того и другого видов топлива, как правило, предоставляются сравнительно большие объемы баков. При этом расчет машин внутреннего сгорания осуществляется, как правило, как наиболее оптимальный возможный компромисс для работы с тем и другим видами топлива. Недостаток при этом заключается в том, что из-за этого не может оптимально исчерпываться потенциал, который дает природный газ в качестве топлива.
Так называемые квази-моновалентные машины внутреннего сгорания рассчитаны, в отличие от этого, в первую очередь на работу на природном газе, однако могут также работать на карбюраторном топливе, потому что для этого предусмотрены собственные системы снабжения топливом. Однако, при этом предусмотренные для карбюраторного топлива баки имеют, как правило, очень маленькие объемы, и их содержимое служит только в качестве резервов, для увеличения общих пределов досягаемости (максимальная дальность езды) автомобилей, привод которых осуществляется посредством этих машин внутреннего сгорания, и, в частности, для обеспечения возможности добираться до одной из заправочных станций, предлагающих в качестве топлива природный газ, которые часто еще относительно мало распространены. Очевидное преимущество таких квази-моновалентных машин внутреннего сгорания заключается в возможности наиболее оптимальным возможным образом исчерпывать потенциал, который дает природный газ в качестве топлива, не ограничиваясь только тем пределом досягаемости, который обеспечивает одновременно имеющийся в качестве топлива природный газ. Однако, недостатком таких машин внутреннего сгорания является необходимость обязательно предусматривать две различные системы снабжения топливом, из-за чего, в частности, повышаются затраты. Этот недостаток характерен, разумеется, и для бивалентных машин внутреннего сгорания.
Моновалентные машины внутреннего сгорания, в отличие от этого, предусмотрены только для работы на природном газе и поэтому могут наиболее оптимальным возможным образом адаптироваться к его особенностям. Кроме того, у таких машин внутреннего сгорания можно избежать дополнительных издержек и вместе с тем затрат, а также конструктивного пространства для дополнительной системы снабжения топливом для карбюраторного топлива.
Наряду с проблемой достаточных пределов досягаемости, у автомобилей, имеющих моновалентные машины внутреннего сгорания, возникает проблема холодного пуска, которая, во-первых, является результатом помещения природного газа под высокое давление, обычно прибл. 200 бар, в топливные напорные баки и требующегося при этом уменьшения давления посредством устройства для регулирования давления до значений прибл. 10 бар, которые предусмотрены для вдувания топлива, например, во всасывающую трубу машины внутреннего сгорания. Из-за эффекта Джоуля-Томсона это уменьшение давления природного газа связано со значительным понижением температуры. При этом природный газ ниже по потоку от устройства для регулирования давления, даже при высоких температурах окружающей среды, может иметь значения прибл. -25°C. Это приводит к тому, что такие устройства для регулирования давления обычно должны обогреваться, для чего они чаще всего интегрированы в систему охлаждения машины внутреннего сгорания. Однако, такой обогрев для устройства для регулирования давления эффективен только когда охлаждающее средство системы охлаждения имеет достаточно высокую температуру, что после холодного пуска машины внутреннего сгорания при очень низких температурах окружающей среды обеспечивается не сразу. Кроме того, температуры, которые лежат намного ниже 0°C, также по существу отрицательно сказываются на функциональности компонентов системы снабжения топливом. При этом проблематичными могут оказаться, в частности, вода, которая сконденсирована во время предыдущей работы машины внутреннего сгорания в тракте для свежего газа и, в частности, всасывающий трубе, и которая при соответственно низких наружных температурах превращается в лед, а также отложения смазки в тракте для свежего газа. При этом смазка может, в частности, поступать из интегрированного в тракт для свежего газа компрессора машины внутреннего сгорания и при низких наружных температурах обладать соответственно высокой вязкостью. Такое превращение воды в лед, а также отложения смазки могут, в частности, отрицательно влиять на работу клапанов для вдувания газа, через которые природный газ дозированным образом должен вдуваться, например, во всасывающую трубу машины внутреннего сгорания.
Для бивалентных и квази-моновалентных машин внутреннего сгорания описанной проблемы холодного пуска можно избежать, когда после холодного пуска сначала они работают на карбюраторном топливе.
Работающая на КПГ машина внутреннего сгорания известна, например, из WO 2006/084583 A1.
DE 100 52 336 A1 описывает машину внутреннего сгорания для работы на газообразном топливе и, в частности, природном газе, который подводится в камеры сгорания под высоким давлением прибл. 200 бар и зажигается в них посредством какого-либо устройства, например, свечи зажигания.
US 2013/0008558 A1 раскрывает стационарное заправочное устройство для газовой заправочной станции, помещенный в которую газ хранится так, что может без затруднений обеспечиваться процесс заправки, при этом, в частности, при относительно низких температурах окружающей среды температура газа не должна опускаться ниже некоторой минимальной температуры. Для этого в газовые напорные баки устройства может быть интегрировано электрическое устройство подогрева.
Исходя из этого уровня техники, в основе изобретения лежала задача, даже при низких температурах окружающей среды обеспечить возможность достаточно хорошего режима холодного пуска для машины внутреннего сгорания, работающей на газообразном топливе и, в частности, природном газе.
Эта задача решается с помощью машины внутреннего сгорания по п.1 формулы изобретения. Способ работы такой машины внутреннего сгорания является предметом п.8 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления предлагаемой изобретением машины внутреннего сгорания и предпочтительные варианты осуществления предлагаемого изобретением способа являются предметами других пунктов формулы изобретения и следуют из последующего описания изобретения.
Машины внутреннего сгорания, которая включает в себя по меньшей мере один предусмотренный для работы на газообразном топливе двигатель внутреннего сгорания, к которому по тракту для свежего газа может подводиться свежий газ (в частности воздух), а также один или несколько топливных напорных баков, в который или которые предпочтительно в газообразной форме помещено топливо, а также один или несколько клапанов для вдувания газа, которые через устройство для регулирования давления могут соединяться с указанным или указанными топливными напорными баками, в соответствии с изобретением отличается средствами для обогрева указанного или указанных клапанов для вдувания газа и (дополнительным) устройством подогрева для нагрева газообразного топлива.
Такая машина внутреннего сгорания, в т.ч., делает возможным выполнение предлагаемого изобретением способа работы машины внутреннего сгорания, при котором по меньшей мере временно до и/или во время работы в холодном состоянии указанный или указанные клапаны для вдувания газа обогреваются, при этом
- в первом диапазоне температур окружающей среды, который, например, может лежать между 0°C и -20°C, устройство подогрева не задействуется, в отличие от чего
- во втором, более холодном диапазоне температур окружающей среды, который, например, может лежать около -20°C и ниже, дополнительно задействуется устройство подогрева.
Под «работой в холодном состоянии» понимается работа двигателя внутреннего сгорания машины внутреннего сгорания, при которой он или по меньшей мере один другой компонент машины внутреннего сгорания еще имеет рабочую температуру, которая лежит ниже соответствующего предельного значения, например, 0°. При этом может быть, в частности, предусмотрено, чтобы работа в холодном состоянии следовала непосредственно за пуском двигателя внутреннего сгорания при соответственно низких температурах окружающей среды, при этом двигатель внутреннего сгорания перед этим не работал так долго, что его (рабочая) температура опустилась ниже соответствующего предельного значения. (Рабочая) температура двигателя внутреннего сгорания или соответствующего компонента может, в частности, определяться по температуре охлаждающего средства, которое предусмотрено для нагнетания в системе охлаждения, включающей в себя также двигатель внутреннего сгорания, и/или по температуре газа в подводе топлива, в частности в газораспределительной трубе (анг. «Gasrail») подвода топлива, или температуре деталей одного из компонентов подвода топлива, в частности газораспределительной трубы.
Газообразное топливо может, в частности, представлять собой природный газ, при этом оно также предпочтительно может быть помещено в указанный или указанные топливные баки в газообразной форме под относительно высоким давлением, напр. прибл. между 150 бар и прибл. 260 бар, предпочтительно прибл. 200 бар (КПГ).
Начало обогрева указанного или указанных клапанов для вдувания газа и при необходимости также задействование устройства подогрева может, например, инициироваться путем деблокировки или открытия двери водителя автомобиля, включающего в себя предлагаемую изобретением силовую машину. Затем эти меры по обогреву могут снова заканчиваться, если в течение определенного периода времени не осуществляется пуск машины внутреннего сгорания.
Посредством предлагаемого изобретением, в зависимости от температуры окружающей среды, по меньшей мере двухступенчатого обогрева особенно чувствительных к холоду компонентов машины внутреннего сгорания возможна реализация надежной работы в холодном состоянии и, в частности, также хорошего режима холодного пуска машины внутреннего сгорания, при этом одновременно вследствие градации мер по обогреву получаются наиболее низкие возможные необходимые для этого энергетические издержки.
Это может иметь сказываться положительно, в частности, тогда, когда, как предпочтительно предусмотрено, обогрев указанного или указанных клапанов для вдувания газа и/или работа устройства подогрева основывается на преобразовании электрической энергии в тепловую энергию, потому что это не только делает возможным быстро начинающий действовать обогрев, но и, в принципе, также относительно простым конструктивным образом может интегрироваться в указанный или указанные клапаны для вдувания газа. Кроме того, для электрического обогрева предпочтительно возможен доступ к, как правило, уже имеющейся электрической сети машины внутреннего сгорания, соответственно, автомобиля, в который интегрирована эта машина внутреннего сгорания. Электрическое устройство подогрева обладает также, в принципе, хорошей возможностью регулирования.
Для электрического обогрева указанного или указанных клапанов для вдувания газа может быть предпочтительно предусмотрено, чтобы в них (в него) было интегрировано по электрическому нагревательному элементу. Такой «электрический нагревательный элемент», так же, как и предусмотренное для нагрева газообразного топлива устройство подогрева предлагаемой изобретением машины внутреннего сгорания, служит в соответствии с изобретением исключительно или по меньшей мере в первую очередь цели выработки тепловой энергии путем преобразования из другой формы энергии, в частности электрической энергии. Такой электрический нагревательный элемент, например, в виде нагревательной катушки, прост и экономичен в изготовлении и к тому же может относительно простым образом интегрироваться в клапан для вдувания газа.
Альтернативно или дополнительно к интеграции электрического нагревательного элемента может быть также предусмотрено получение обогрева указанного или указанных клапанов для вдувания газа путем активирования их актуаторов (исполнительных элементов), при котором к ним подводится наибольшее возможное количество электрической энергии, преобразуемой ими в тепловую энергию. При этом, в частности, может быть предусмотрено, чтобы указанный или указанные клапаны для вдувания газа непрерывно снабжались током в полной мере (т.е. активирование осуществляется по меньшей мере с силой тока, которая предусмотрена при нормальной работе машины внутреннего сгорания (временно) для открывания указанного или указанных клапанов для вдувания газа), что, в частности, может также приводить к длительному открытому состоянию указанного или указанных клапанов для вдувания газа. Такая мера предлагается, в частности, для обогрева указанного или указанных клапанов для вдувания газа перед работой в холодном состоянии и соответственно этому, также для следующего холодного пуска машины внутреннего сгорания, так как может быть предпочтительно для этого прежде вакуумировать клапаны для вдувания газа, соответственно, по меньшей мере отрезать от дальнейшего подвода газообразного топлива, во избежание того, чтобы через остающиеся открытыми клапаны для вдувания газа попадало в двигатель внутреннего сгорания или тракт для свежего газа машины внутреннего сгорания нехарактерное количество топлива. Таким образом можно, в частности, избежать работы двигателя внутреннего сгорания с нежелательным переобогащением во время и сразу после холодного пуска. С другой стороны, может быть также предусмотрено (в частности, длительное) снабжение указанного или указанных клапанов для вдувания газа током только такой силы, (как раз) чтобы не осуществлялось открытие. В этом случае может, в частности, также отсутствовать предшествующее вакуумирование или отрезание клапанов для вдувания газа от дальнейшего подвода газообразного топлива, без ожидаемых отрицательных последствий для дозирования топлива. Альтернативно этому может быть также предусмотрено снабжение током указанного или указанных клапанов для вдувания газа импульсами, в частности, полной силы тока, при этом частота и, в частности, продолжительность включения выбрана столь высокой, чтобы вследствие механической инертности указанного или указанных клапанов для вдувания газа открытие в релевантной степени предотвращалось.
Предусмотренное для нагрева газообразного топлива устройство подогрева может быть также предпочтительно выполнено в виде электрического устройства подогрева, потому что и это позволяет получить простую и экономичную возможность интегрирования. Кроме того, электрическое устройство подогрева позволяет относительно надежным образом быстро нагревать газообразное топливо. Это является преимуществом, в частности, по сравнению с устройством подогрева, сжигающим топливо, в частности предусмотренное также для работы двигателя внутреннего сгорания газообразное топливо, высвобождаемая тепловая энергия которого воздействует прямо на компонент, проводящий подлежащее нагреву газообразное топливо. Тем не менее, в соответствии с изобретением применимо и такое устройство подогрева.
Также предпочтительно может быть предусмотрено, чтобы устройство подогрева было интегрировано в устройство для регулирования давления, так как через него уже протекает газообразное топливо, и посредством него осуществляется значительное, вызывающее понижение температуры уменьшение давления газообразного топлива. Таким образом может получаться не только нагрев газообразного топлива, но и самого устройства для регулирования давления, благодаря чему можно избежать обусловленного слишком низкими температурами неправильного функционирования устройства для регулирования давления.
Наряду с интеграцией устройства подогрева в устройство для регулирования давления, оно может быть также интегрировано в другом месте в подвод газа между топливными напорными баками и клапанами для вдувания газа, причем тогда оно должно было бы быть предусмотрено предпочтительно выше по потоку (применительно к направлению течения газообразного топлива) от устройства для регулирования давления, чтобы использовать его повышающее температуру действие также для устройства для регулирования давления.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемой изобретением машины внутреннего сгорания может быть предусмотрено, чтобы устройство для регулирования давления было интегрировано в циркуляционный контур текучей среды-теплоносителя. Особенно предпочтительно этот циркуляционный контур может быть частью системы охлаждения, интегрирующей двигатель внутреннего сгорания, причем перемещаемая в циркуляционном контуре текучая среда-теплоноситель представляет собой тогда охлаждающее средство этой системы охлаждения. Это предпочтительным образом делает возможным (дополнительный) обогрев устройства для регулирования давления за счет теплопередачи от текучей среды-теплоносителя, соответственно, охлаждающего средства к одному или нескольким компонентам устройства для регулирования давления и от них, в свою очередь, к газообразному топливу, причем это может происходить вследствие относительно сильного понижения температуры, которое начинается вследствие эффекта Джоуля-Томсона во время уменьшения давления газообразного топлива посредством устройства для регулирования давления, даже при относительно низких температурах окружающей среды, в частности температурах окружающей среды в предлагаемом изобретением первом диапазоне температур окружающей среды. Такая интеграция устройства для регулирования давления в циркуляционный контур текучей среды-теплоносителя и, в частности, в систему охлаждения машины внутреннего сгорания может, в частности, также обеспечивать возможность длительного обогрева устройства для регулирования давления, в частности также во время следующей за работой в холодном состоянии работы в теплом состоянии, без необходимости использования для этого дополнительной первичной энергии, потому что собственно отводимое через систему охлаждения отходящее тепло может использоваться для обогрева газообразного топлива посредством устройства для регулирования давления.
Под «работой в теплом состоянии» понимается работа машины внутреннего сгорания, при которой не выполнено условие, предусмотренное для работы в холодном состоянии.
В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления предлагаемой изобретением машины внутреннего сгорания может быть предусмотрено, чтобы в циркуляционный контур текучей среды-теплоносителя и, в частности, в систему охлаждения машины внутреннего сгорания был также интегрирован подогреватель, в частности подогреватель, который может работать на топливе и предпочтительно на газообразном топливе. Такой подогреватель может, в частности, служить для того, чтобы как можно быстрее нагревать текучую среду-теплоноситель с первоочередной целью как можно более быстрого нагрева двигателя внутреннего сгорания и/или других компонентов машины внутреннего сгорания, а также, в частности, и внутреннего помещения для пассажиров автомобиля, включающего в себя эту машину внутреннего сгорания. Тогда вследствие относительно быстро происходящего нагревающего воздействия текучей среды-теплоносителя на устройство для регулирования давления может уменьшаться продолжительность и/или мощность, с которой нагреваются указанный или указанные клапаны для вдувания газа и/или газообразное топливо (дополнительно) посредством предпочтительно работающего на электричестве устройства подогрева.
Предлагаемое изобретением исполнение машины внутреннего сгорания, а также предлагаемая изобретением работа такой машины внутреннего сгорания до и/или во время работы в холодном состоянии может, в частности, предпочтительно сказываться у машины внутреннего сгорания, двигатель внутреннего сгорания которой образует несколько камер сгорания, при этом для каждой из камер сгорания предназначен по меньшей мере один клапан для вдувания газа. При этом клапаны для вдувания газа могут быть, например, интегрированы в двигатель внутреннего сгорания таким образом, чтобы газообразное топливо вдувалось ими прямо в камеры сгорания. Альтернативно существует также возможность интегрировать их во всасывающую трубу тракта для свежего газа машины внутреннего сгорания, которая является последним участком тракта для свежего газа, и в которой течение свежего газа разделяется на отдельные течения, подводимые к отдельным камерам сгорания двигателя внутреннего сгорания, для чего всасывающая труба может образовывать некоторое количество газонаправляющих каналов, соответствующее количеству камер сгорания двигателя внутреннего сгорания. Тогда для каждого из газонаправляющих каналов может быть предназначено по одному клапану для вдувания газа. В отличие от тоже реализуемого центрального вдувания во всасывающую трубу, соответственно, в какой-либо участок тракта для свежего газа выше по потоку от всасывающей трубы, таким образом возможна реализация улучшенного дозирования газообразного топлива, которое должно подводиться к отдельным камерам сгорания. Кроме того, при этом может также относительно простым образом достигаться высокая динамика регулирования. Однако, недостаток такого индивидуального предназначения клапанов для вдувания газа для каждой камеры сгорания заключается в том, что клапаны для вдувания газа, не функционирующие или неправильно функционирующие по условиям температуры, могут приводить к отсутствию подвода топлива к предназначенным для них камерам сгорания, что может особенно отрицательно сказываться на работе в холодном состоянии и, в частности, режиме холодного пуска машины внутреннего сгорания. Так как предлагаемое изобретением исполнение машины внутреннего сгорания и выполнение предлагаемого изобретением способа предотвращают проблемы во время работы в холодном состоянии и, в частности, во время холодного пуска машины внутреннего сгорания, таким образом могут полностью исчерпываться преимущества, достижимые посредством индивидуального для каждой камеры сгорания дозирования топлива.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением способа может быть предусмотрено, что указанный или указанные клапаны для вдувания газа сначала обогреваются с относительно высокой мощностью, а затем с относительно низкой (по сравнению с ней) мощностью. При этом переход может осуществляться ступенчатым (также только с одной ступенью) или бесступенчатым (при электрическом обогреве, в частности, посредством принципиально предпочтительного активирования посредством ШИМ (широтно-импульсной модуляции) просто реализуемым) образом. При этом обогрев с относительно высокой вначале мощностью может служить для того, чтобы доводить даже имеющие низкую температуру клапаны для вдувания газа до рабочей температуры, которая по существу гарантирует полную функциональность, в то время как последующий обогрев с относительно низкой мощностью в первую очередь может служить, в первую очередь, для того, чтобы сохранять эту функциональность клапанов для вдувания газа, несмотря на подачу газообразного топлива, имеющего еще относительно низкую температуру. Эта мера может быть, в частности, целесообразна или необходима тогда, когда температура окружающей среды является относительно низкой. При этом может быть особенно предпочтительно предусмотрено, чтобы в относительно холодном (втором) отдельном диапазоне первого диапазона температур окружающей среды, который, например, может лежать между -10°C и -20°C, указанный или указанные клапаны для вдувания газа сначала обогреваются с относительно низкой мощностью, а затем с относительно низкой мощностью, в то время как в относительно теплом первом отдельном диапазоне первого диапазона температур окружающей среды, который, например, может лежать между 0°C и -10°C, указанный или указанные клапаны для вдувания газа до окончания обогрева обогреваются с неизменной мощностью, в частности соответствующей относительно высокой мощности нагрева, которая предусмотрена для второго отдельного диапазона. При работе предлагаемой изобретением машины внутреннего сгорания до и/или во время работы в холодном состоянии двигателя внутреннего сгорания во втором, более холодном диапазоне температур окружающей среды может быть всегда предусмотрен двухступенчатый обогрев клапанов для вдувания газа.
Для по возможности автоматической работы предлагаемой изобретением машины внутреннего сгорания она предпочтительно имеет устройство управления для автоматического активирования по меньшей мере указанного или указанных клапанов для вдувания газа, устройство для регулирования давления и устройство подогрева, при этом устройство управления рассчитано, соответственно, запрограммировано таким образом, что с его помощью может реализовываться, соответственно, реализуется предлагаемый изобретением способ. При этом устройство управления может, в частности, обращаться к результатам измерений по меньшей мере одного, предпочтительно нескольких сенсоров температуры, посредством которых может находиться рабочая температура машины внутреннего сгорания или, соответственно, по меньшей мере одного ее компонента (например, температура охлаждающего средства в по меньшей мере одном участке системы охлаждения машины внутреннего сгорания) и/или температура окружающей среды, в частности температура окружающего воздуха, и/или температура топлива.
Изобретение касается также автомобиля, имеющего предлагаемую изобретением машину внутреннего сгорания, при этом машина внутреннего сгорания предпочтительно может быть предусмотрена для (прямого или непрямого) предоставления приводной мощности для автомобиля. Автомобиль может быть предпочтительно выполнен для моновалентной работы на газообразном топливе. Однако возможна также реализация у бивалентной или квази-бивалентной машины внутреннего сгорания, когда для нее должен быть возможен холодный пуск с использованием газообразного топлива при соответственно низких температурах окружающей среды.
Неопределенные артикли («одно», «одна», «один» и «одного» = то есть упоминание в единственном числе), в частности, в пунктах формулы изобретения и в описании, в общем поясняющем пункты формулы изобретения, должны пониматься как таковые, а не как числительные. Соответственно конкретизированные ими компоненты должны пониматься так, что они имеются по меньшей мере в одном экземпляре и могут иметься в нескольких экземплярах.
Ниже настоящее изобретение поясняется подробнее на одном из примеров осуществления, изображенном на чертежах. На чертежах показано, соответственно в схематичном изображении:
фиг.1: предлагаемый изобретением автомобиль; и
фиг.2: предлагаемая изобретением машина внутреннего сгорания.
На фиг.1 показан автомобиль, имеющий предлагаемую изобретением машину 10 внутреннего сгорания, которая служит для прямой выработки приводной мощности для движения автомобиля. Эта машина 10 внутреннего сгорания может быть при этом выполнена в соответствии с фиг.2.
Изображенная на фиг.2 машина 10 внутреннего сгорания может работать на природном газе, который помещен в один или несколько параллельно включенных топливных напорных баков 12 под относительно высоким давлением, например, прибл. 200 бар.
Машина 10 внутреннего сгорания включает в себя двигатель 14 внутреннего сгорания (с поступательным движением поршней), который может работать по карбюраторному принципу или выполнен в виде газожидкостного двигателя, принципиальная конструкция которого общеизвестна. Двигатель 14 внутреннего сгорания снабжается через тракт 16 для свежего газа свежим газом, который, в первую очередь, представляет собой всасываемый через воздушный фильтр 18 окружающий воздух 26. В текущий к двигателю 14 внутреннего сгорания поток свежего газа посредством клапанов 20 для вдувания газа, которые интегрированы во всасывающую трубу 22 тракта 16 для свежего газа, может дозированным образом вводиться природный газ. Полученная таким образом смесь свежего газа и топлива может затем сжигаться в двигателе 14 внутреннего сгорания для предоставления механической приводной мощности. Возникающий при сжигании смеси свежего газа и топлива отработавший газ 28 отводится по выхлопному тракту 24 машины 10 внутреннего сгорания и при этом по меньшей мере частично направляется через турбину 30 турбонагнетателя на отработавших газах, вследствие чего создается приводная мощность для компрессора 32 турбонагнетателя на отработавших газах. Компрессор 32 турбонагнетателя на отработавших газах, интегрирован в тракт 16 для свежего газа и служит для того, чтобы сжимать свежий газ, который должен подводиться к двигателю 14 внутреннего сгорания, с целью наддува машины 10 внутреннего сгорания. Посредством так называемого вестгейта (Wastegate – заслонка) 34 для обхода при необходимости турбины 30 и/или посредством клапана 36 циркуляции воздуха, который служит для предотвращения большого подъема давления ниже по потоку от компрессора 32 при закрытой дроссельной заслонке 38, создаваемое компрессором 32 давление наддува при работе двигателя 14 внутреннего сгорания ограничивается высокой нагрузкой и препятствует избыточной нагрузке турбонагнетателя на отработавших газах и двигателя 14 внутреннего сгорания. Дополнительно или альтернативно применению вестгейта 34 может также находить применение турбина 30 с изменяемой геометрией (ТИГ). Сжатый компрессором 32 свежий газ течет через участок наддувочного воздуха, т.е. расположенный ниже по потоку от компрессора 32 участок тракта 16 для свежего газа, и протекает при этом сначала через охладитель 40 наддувочного воздуха, а после этого через дроссельную заслонку 38, которая служит для количественного регулирования нагрузки двигателя 14 внутреннего сгорания. Затем топливо течет во всасывающую трубу 22, которая представляет собой последний участок тракта 16 для свежего газа, и в которой течение свежего газа разделяется на отдельные течения, которые подводятся к отдельным камерам сгорания двигателя 14 внутреннего сгорания, для чего всасывающая труба 22 образует некоторое количество газонаправлящих каналов 44, соответствующее количеству цилиндров (не изображено) двигателя 14 внутреннего сгорания. По одному клапану 20 для вдувания газа предназначено для каждого из газонаправляющих каналов 44 и интегрировано в начальный участок соответственно относящегося к нему газонаправляющего канала 44. Посредством клапанов 20 для вдувания газа может, следовательно, дозироваться количество топлива, характерное для каждой из камер сгорания, ограниченных, в том числе, цилиндрами двигателя 14 внутреннего сгорания, для достижения наиболее оптимального возможного и, в частности, эффективного сгорания. Альтернативно расположению по одному клапану 20 для вдувания газа в газонаправляющих каналах 44 может также осуществляться центральное вдувание газа в участок тракта 16 для свежего газа, лежащий перед газонаправляющими каналами 44.
Природный газ подводится к клапанам 20 для вдувания газа через газораспределительную трубу 46, так называемый газопровод. При этом природный газ в газораспределительной трубе 46 имеет давление, например, прибл. 10 бар, при этом уменьшение давления природного газа, помещенного при прибл. 200 бар в указанный или указанные топливные напорные баки 12, до этого давления прибл. в 10 бар осуществляется, во-первых, посредством соответственно предназначенного для каждого топливного напорного бака 12 регулировочного клапана 48 бака, а также (в первую очередь) посредством устройства 50 для регулирования давления. Из-за эффекта Джоуля-Томсона на устройство 50 для регулирования давления на его стороне низкого давления вследствие вызываемого им значительного уменьшения давления подается природный газ, который даже при работе машины 10 внутреннего сгорания в теплом состоянии при относительно высоких температурах окружающей среды может иметь очень низкую температуру намного ниже 0°C. Чтобы, тем не менее, обеспечить надежное функционирование устройства 50 для регулирования давления, оно выполнено обогреваемым и для этого, во-первых, интегрировано в циркуляционный контур охлаждения системы 52 охлаждения машины 10 внутреннего сгорания, изображенной на фиг.2 лишь сильно упрощенным образом, благодаря которому через устройство 50 для регулирования давления может протекать охлаждающая жидкость, температура которой может лежать заметно выше температуры природного газа, имеющегося на стороне низкого давления устройства 50 для регулирования давления, и, как правило, также заметно выше температуры окружающей среды.
Так как охлаждающая жидкость при очень низких температурах окружающей среды перед холодным пуском машины 10 внутреннего сгорания сама может иметь настолько низкие температуры, что с ее помощью не может достигаться достаточный нагрев природного газа, протекающего через устройство 50 для регулирования давления, для устройства 50 для регулирования давлении дополнительно предусмотрено электрическое устройство 42 подогрева, которое, в частности, может быть выполнено таким образом, что оно напрямую производит нагрев природного газа, при этом электрический нагревательный элемент (не изображен) размещен в потоке природного газа, причем это предпочтительно осуществляется в участке устройства 50 для регулирования давления, в котором уже произошло релевантное уменьшение давления природного газа посредством устройства 50 для регулирования давления. Альтернативно интеграции такого электрического устройства 42 подогрева в устройство 50 для регулирования давления нагревательный элемент может быть также предусмотрен на релевантном расстоянии от него, в частности в участке газопровода, соединяющего указанный или указанные топливные напорные баки 12 с устройством 50 для регулирования давления. Альтернативно или дополнительно к устройству подогрева, которое производит прямой нагрев природного газа, может быть также предусмотрено устройство подогрева непрямого действия, которое, например, обогревает какой-либо компонент корпуса устройства 50 для регулирования давления, используемый для направления течения природного газа. В принципе, возможен был бы также вариант осуществления устройства подогрева, которое нагревает охлаждающую жидкость, текущую в системе охлаждения, вследствие чего, в свою очередь, нагревались бы устройство 50 для регулирования давления, а от него газообразное топливо. Однако, недостаток при этом заключался бы, в частности, во временной задержке нагревательного действия вследствие термического посредничества охлаждающей жидкости. В этом случае устройство подогрева должно было бы быть расположено по меньшей мере как можно ближе выше по потоку (применительно к направлению течения охлаждающей жидкости) от устройства 50 для регулирования давления, чтобы в наибольшей возможной степени была возможна передача вырабатываемой им тепловой энергии устройству 50 для регулирования давления и вместе с тем природному газу. Независимо от описанного примера осуществления, у предлагаемой изобретением машины внутреннего сгорания можно также интегрировать устройство подогрева в дополнительный темперирующий циркуляционный контур, в частности включающий в себя исключительно устройство подогрева, при необходимости насос и устройство 50 для регулирования давления, при этом он может активироваться предпочтительно при необходимости, и тогда охлаждающая жидкость системы охлаждения в этом темперирующем циркуляционном контуре нагнетается с использованием участка системы охлаждения, включающего в себя устройство 50 для регулирования давления. При этом предпочтительно темперирующий циркуляционный контур активируется, только когда также задействовано устройство подогрева.
Наряду с интегрированным в устройство 50 для регулирования давления электрическим устройством подогрева, у машины внутреннего сгорания в соответствии с фиг.2 предусмотрен также работающий на природном газе подогреватель 54 топлива, который может работать на газообразном топливе. Посредством расположенного выше по потоку от устройства 50 для регулирования давления переключающего клапана 66 он может интегрироваться в соответствующий циркуляционный контур охлаждения системы 52 охлаждения. Вырабатываемая посредством нагревателя 54 топлива тепловая энергия передается охлаждающей жидкости и от нее частично компонентам корпуса устройства 50 для регулирования давления, через которые протекает природный газ, вследствие чего она может способствовать нагреву природного газа, протекающего в устройстве 50 для регулирования давления. Дополнительно к этому вырабатываемая подогревателем 54 топлива тепловая энергия служит также для как можно более быстрого достижения диапазона рабочих температур охлаждающей жидкости (измеряемых с помощью сенсора 60 температуры) и вместе с тем, в частности, также двигателя 14 внутреннего сгорания, благодаря чему возможно не только положительное влияние на расход топлива и выбросы отработавшего газа, но и возможно достижение быстрое отопление внутреннего помещения предлагаемого изобретением автомобиля, включающего в себя такую машину внутреннего сгорания. Вследствие относительно замедленного действия, которое такой нагреватель 54 топлива оказывает на температуру природного газа ниже по потоку от устройства 50 для регулирования давления, целесообразна комбинация подогревателя 54 топлива с электрическим устройством подогрева, чтобы можно было без затруднений реализовать холодный пуск машины 10 внутреннего сгорания при очень низких температурах окружающей среды также без продолжительных периодов ожидания.
Очень низкие температуры окружающей среды, в частности, отрицательно сказываются также на функциональности клапанов 20 для вдувания газа. Поэтому в соответствии с изобретением предусмотрено, чтобы и для них были предусмотрены средства обогрева. При этом обогрев клапанов 20 для вдувания газа может осуществляться за счет того, что они активируются посредством предназначенного для них устройства 56 управления, например, управления 56 двигателем машины 10 внутреннего сгорания, таким образом, что к ним подводится наибольшее возможное количество электрической энергии, которая по возможности полностью преобразуется в тепловую энергию. Дополнительно или альтернативно этому в клапаны 20 для вдувания газа может быть также интегрировано по электрическому устройству подогрева (не изображено).
Предлагаемое изобретением исполнение машины 10 внутреннего сгорания делает возможным холодный пуск без затруднений, а также следующую за холодным пуском работу машины 10 внутреннего сгорания в холодном состоянии даже при низких и очень низких температурах окружающей среды, при этом вследствие ступенчатого, в частности зависящего от температуры окружающей среды, нагрева клапанов 20 для вдувания газа и природного газа фактически обогреваются только те компоненты, для которых эта мера является необходимой соответственно обстоятельствам.
В частности, может быть предусмотрено, чтобы для холодного пуска во время первой фазы, следующей за холодным пуском, во время работы машины 10 внутреннего сгорания в холодном состоянии при температурах окружающей среды в первом диапазоне температур окружающей среды, который, например, может лежать между 0°C и -20°C, обогревались исключительно клапаны 20 для вдувания газа, в то время как для устройства 50 для регулирования давления не был предусмотрен обогрев посредством устройства 42 подогрева. При этом также может быть предусмотрено, чтобы в первом отдельном диапазоне этого первого диапазона температур окружающей среды, который, например, может лежать между 0°C и -10°C, была возможность предусмотреть обогрев клапанов 20 для вдувания газа с постоянной, относительно высокой мощностью до относительно раннего окончания обогрева, в частности сразу или вскоре после произошедшего холодного пуска, в то время как во втором отдельном диапазоне этого первого диапазона температур окружающей среды, который, например, может лежать между -10°C и -20°C, мог быть предусмотрен обогрев клапанов 20 для вдувания газа сначала с относительно высокой мощностью, которая затем уменьшается. При этом может быть, в частности, предусмотрено, чтобы этот предусмотренный вначале обогрев с относительно высокой мощностью выполнялся до холодного пуска машины 10 внутреннего сгорания, в то время как сразу вместе с холодным пуском или вскоре после него предусматривалось уменьшение мощности нагрева для клапанов 20 для вдувания газа. При этом обогрев с относительно низкой мощностью служит, в частности, для того, чтобы поддерживать рабочую температуру клапанов 20 для вдувания газа по существу в определенном диапазоне рабочих температур, хотя на них подается еще относительно холодный природный газ. Это обосновано тем, что обогрев устройства 50 для регулирования давления, который производится при протекании через устройство 50 для регулирования давления охлаждающей жидкости соответствующего циркуляционного контура охлаждения системы охлаждения, еще не достаточно эффективен, и для работы двигателя внутреннего сгорания в холодном состоянии в первом диапазоне температур окружающей среды не предусмотрен обогрев устройства 50 для регулирования давления и вместе с тем природного газа посредством устройства 42 подогрева.
При очень низких температурах окружающей среды и, в частности, также соответственно низких температурах охлаждающей жидкости, а также компонентов, ответственных за снабжение двигателя 14 внутреннего сгорания газообразным топливом, одного только обогрева клапанов 20 для вдувания газа, при необходимости также с относительно высокой мощностью за рамками холодного пуска, может быть недостаточно, чтобы обеспечить холодный пуск без затруднений и следующую за ним работу двигателя 14 внутреннего сгорания в холодном состоянии. В таком диапазоне температур окружающей среды, который, например, включает в себя температуры окружающей среды от -20°C и ниже, наряду с описанным обогревом клапанов 20 для вдувания газа, дополнительно может быть также предусмотрен обогрев устройства 50 для регулирования давления посредством устройства 42 подогрева, чтобы повысить, соответственно, поддерживать относительно высокую температуру природного газа, который подается на клапаны 20 для вдувания газа. Тем самым может также предотвращаться замерзание устройства 50 для регулирования давления.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 Машина внутреннего сгорания
12 Топливный напорный бак
14 Двигатель внутреннего сгорания
16 Тракт для свежего газа
18 Воздушный фильтр
20 Клапан для вдувания газа
22 Всасывающая труба
24 Выхлопной тракт
26 Окружающий воздух
28 Отработавший газ
30 Турбина
32 Компрессор
34 Вестгейт (заслонка)
36 Клапан циркуляции воздуха
38 Дроссельная заслонка
40 Охладитель наддувочного воздуха
42 Устройство подогрева
44 Газонаправляющий канал всасывающей трубы
46 Газораспределительная труба
48 Регулировочный клапан бака
50 Устройство для регулирования давления
52 Система охлаждения
54 Подогреватель топлива
56 Устройство управления/управление двигателем
58 Переключающий клапан
60 Сенсор температуры