СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ, ВЫПОЛНЕННЫМ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ РАБОТЫ НА ГАЗООБРАЗНОМ ТОПЛИВЕ, ДВИГАТЕЛЬ, ИМЕЮЩИЙ ЦИЛИНДРЫ, ВЫПОЛНЕННЫЕ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА И ДВИГАТЕЛЬ, ВЫПОЛНЕННЫЙ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
CONTROL OVER ENGINE RUNNING ON GASEOUS FUEL, ENGINE WITH CYLINDERS COMBUSTING SAID GASEOUS FUEL AND ENGINE COMBUSTING SAID FUEL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к многозонному двигателю внутреннего сгорания на газообразном топливе.
Уровень техники
Различные типы двигателей внутреннего сгорания для транспортных средств могут сжигать газообразное топливо вместо или в комбинации с обычным жидким топливом, подобным бензину. Газообразное топливо, например, может включать в себя водород, природный газ, пропан и более легкие легковоспламеняющиеся углеводородные производные соединения. Газообразное топливо может давать различные преимущества относительно обычного впрыска жидкого топлива, такие как снижение выбросов оксидов азота, твердых частиц и углеводородов, а также способность использовать топливо, отличное от ископаемых видов топлива, для приведения в движение транспортного средства.
X
Газообразное топливо обычно хранится в одном или более находящихся под давлением баках, которые представляют собой различные проблемы, не встречаемые при использовании обычного жидкого топлива. Стоимость и хранение топлива пропорционально зависят от потребления топлива. Хотя стандартные водородные двигатели находятся в числе наиболее известных эффективных автомобильных двигателей, недостаток касательно хранения и стоимости топлива остается препятствием для широко распространенной пригодности для продажи. По существу теплотворная способность топлива остается основной причиной озабоченности для производителей оригинального оборудования (OEM), пытающихся производить недорогие водородные и другие газовые топливные изделия. Настоящее изобретение учитывает, что концентрация и распределение топлива должны тщательно рассматриваться для уравновешивания компромисса между выбросами NO, теплопереносом на стенки цилиндра двигателя и общим коэффициентом полезного действия двигателя.
Раскрытие изобретения
Таким образом, согласно одному аспекту изобретения предложен способ управления двигателем, выполненным с возможностью работы на газообразном топливе, включающий впрыск газообразного топлива непосредственно в каждый цилиндр через центрально расположенную форсунку с множеством групп сопел, каждая из которых связана с одной из по меньшей мере двух свечей зажигания, расположенных ближе к стенке цилиндра, чем к форсунке, при этом каждая группа направляет газообразное топливо в соответствующий искровой зазор свечи зажигания.
Каждая группа сопел предпочтительно включает в себя три сопла.
Газообразное топливо предпочтительно включает в себя водород, каждый цилиндр включает в себя две свечи зажигания, множество групп сопел включает в себя две группы, и группы сопел отделены около на 150 радиальных градусов.
Впрыск предпочтительно включает впрыск газообразного водорода через группы сопел под углом между около 17 градусами и около 62 градусов относительно верха цилиндра.
Впрыск предпочтительно включает впрыск газообразного водорода через группы сопел под радиальным углом между около 5 и около 78 градусами для каждой группы.
Двигатель предпочтительно включает в себя головку блока цилиндров, имеющую впускное окно и выпускное окно для каждого цилиндра, при этом свечи зажигания расположены в головке блока цилиндров между впускным и выпускным окнами, смежными стенке цилиндра.
Двигатель предпочтительно включает в себя головку блока цилиндров, имеющую два отверстия для впускных клапанов и два отверстия для выпускных клапанов для каждого цилиндра, при этом свечи зажигания и форсунка расположены в головке блока цилиндров вдоль общей оси цилиндра, продолжающейся между отверстиями для впускных и выпускных клапанов.
Весь рабочий диапазон двигателя предпочтительно включает впрыск газообразного топлива для обеспечения окончания впрыска только между около 15 градусов и около 85 градусов после верхней мертвой точки (ATDC).
Согласно другому аспекту изобретения предложен двигатель, имеющий цилиндры, выполненные с возможностью сжигания газообразного топлива, содержащий по меньшей мере две свечи зажигания на цилиндр, форсунку газообразного топлива, продолжающуюся в каждый цилиндр и имеющую по меньшей мере две группы сопел, содержащую множество сопел, расположенных для направления газообразного топлива только в искровой зазор соответствующей свечи зажигания, и контроллер, управляющий каждой свечой зажигания и каждой форсункой для подачи газообразного топлива непосредственно в цилиндр и инициирования сгорания.
Контроллер предпочтительно управляет впрыском для впрыска газообразного водорода с окончанием впрыска, находящимся в диапазоне между около 15-85 градусов после верхней мертвой точки (ATDC).
Газообразное топливо предпочтительно содержит водород, по меньшей мере одна свеча зажигания на цилиндр включает в себя двойную свечу зажигания на цилиндр, и каждая группа включает в себя три сопла.
Первая группа сопел предпочтительно отделена на около 150 радиальных градусов от второй группы сопел.
Каждая группа предпочтительно включает в себя три сопла, расположенные для впрыска газообразного топлива в пределах радиального диапазона между около 5 и 78 градусами.
Каждая группа предпочтительно включает в себя три сопла, расположенные для впрыска газообразного топлива в пределах диапазона между около 17 и 62 градусами относительно крышки цилиндра.
Двигатель предпочтительно дополнительно содержит головку блока цилиндров, имеющую два отверстия для впускных клапанов и два отверстия для выпускных клапанов для каждого цилиндра, при этом по меньшей мере одна свеча зажигания и форсунка для каждого цилиндра расположены в головке блока цилиндров вдоль общей оси цилиндра, продолжающейся между отверстиями для впускных и выпускных клапанов.
Газообразное топливо предпочтительно состоит по существу из водорода, при этом двигатель включает в себя две свечи зажигания на цилиндр, причем каждая группа сопел впрыскивает газообразный водород в зону горения, соответствующую искровому зазору свечи зажигания только одной из свечей зажигания.
Каждая форсунка газообразного топлива предпочтительно установлена центрально в соответствующем цилиндре.
Каждая свеча зажигания предпочтительно установлена смежно стенке цилиндра снаружи от оси, проходящей через центральные оси соответствующих впускного клапана и выпускного клапана.
Согласно еще одному аспекту предложен двигатель, выполненный с возможностью сжигания газообразного топлива, содержащий блок цилиндров двигателя с множеством цилиндров, по меньшей мере одну головку блока цилиндров, имеющую центрально расположенное отверстие для форсунки, радиально внешние отверстия для свечи зажигания относительно отверстия для форсунки, два отверстия для впускных клапанов и два отверстия для выпускных клапанов для каждого соответствующего цилиндра, первую и вторую свечи зажигания, связанные с каждым цилиндром и имеющие соответствующие первый и второй искровые зазоры соответственно, форсунку газообразного топлива для каждого цилиндра, продолжающуюся через соответствующее отверстие для форсунки в цилиндр, при этом форсунка включает в себя первую группу сопел, расположенных для направления газообразного топлива в первый искровой зазор, и вторую группу сопел, расположенных для направления газообразного топлива во второй искровой зазор, и контроллер в сообщении с форсунками и свечами зажигания, который вырабатывает сигналы впрыска для впрыска газообразного топлива в соответственные цилиндры и сигналы установки опережения зажигания для воспламенения газообразного топлива.
Каждая из первой и второй групп сопел предпочтительно включает в себя три сопла, при этом каждая группа впрыскивает топливо, охватывая радиальный угол между около 5 и 78 градусами и осевой угол между около 17 и 62 градусами.
Различные варианты осуществления согласно настоящему изобретению обеспечивают соответствующие преимущества. Например, управление концентрацией и распределением топлива согласно вариантам осуществления настоящего изобретения сохраняет равновесие компромиссов между выбросами, теплопереносом на стенки цилиндра и общего коэффициента полезного действия двигателя. Несмотря на то что стратегии согласно настоящему изобретению могут быть осуществлены с широким диапазоном определяющих признаков конструкции, эмпирические данные продемонстрировали, что использование двух свечей зажигания на цилиндр в комбинации с форсункой, имеющей соответствующие группы сопел из трех сопел, каждое из которых предназначено для создания многочисленных полураздельных зон для горения, может увеличивать пиковый тепловой коэффициент полезного действия на вплоть до 5% для двигателя на водородном топливе. Несмотря на то что варианты осуществления, использующие одиночную свечу зажигания и двойные многосопловые группы, каждая из которых имеет три сопла, улучшают общий коэффициент полезного действия, использование двойных свечей зажигания обеспечивает лучшую стабильность сгорания и содействует более гибкой установке момента впрыска, которая содействует дополнительным выигрышам по коэффициенту полезного действия. В дополнение, различные варианты осуществления демонстрируют улучшенную скорость сгорания на 10-90% со временем сгорания, уменьшенным на 10-15 градусов угла поворота коленчатого вала на всем рабочем диапазоне двигателя.
Вышеприведенные преимущества и другие преимущества и признаки вариантов осуществления, связанных с настоящим изобретением, будут с легкостью очевидны из последующего подробного описания при прочтении совместно с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой структурную схему, иллюстрирующую работу двигателя, выполненного с возможностью работы с газообразным топливом согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 представляет собой вид снизу головки блока цилиндров, иллюстрирующий расположение форсунки и свечи зажигания для четырех клапанов на цилиндр, варианта осуществления с двумя свечами зажигания двигателя, выполненного с возможностью работы на газообразном топливе согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3A-3C иллюстрируют форсунку газообразного топлива, имеющую две группы сопел для двигателя на газообразном топливе согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4A-4F иллюстрируют распределение газообразного топлива по полураздельным зонам для горения, создаваемое форсункой, имеющей сопла, расположенные согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения;
X
Фиг.5 иллюстрирует снижение потребления топлива и выработки NO для варианта осуществления с одной свечой зажигания на цилиндр двигателя на газообразном топливе согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг.6 и 7 иллюстрируют сравнение эффективности и стабильности сгорания для реализаций с одной свечой на цилиндр и двумя свечами на цилиндр двигателя на газообразном топливе согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения;
X
Фиг.8 иллюстрирует снижение потребления топлива и выработки NO для варианта осуществления с двумя свечами зажигания на цилиндр двигателя на газообразном топливе согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения; и
Фиг.9 иллюстрирует работу системы или способ для управления двигателем, выполненным с возможностью работы на газообразном топливе согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Как требуется, в материалах настоящей заявки раскрыт подробный вариант осуществления настоящего изобретения; однако следует понимать, что раскрытые варианты осуществления являются всего лишь примером изобретения, которое может быть воплощено в различных и альтернативных формах. Чертежи не обязательно должны определять масштаб; некоторые признаки могут быть увеличены или уменьшены, чтобы показать подробности конкретных элементов. Поэтому конкретные конструктивные и функциональные элементы, раскрытые в материалах настоящей заявки, не должны интерпретироваться в качестве ограничивающих, а только в качестве представляющих основу для изучения специалистом в данной области техники для различного применения настоящего изобретения.
Специалистам в данной области техники следует понимать, что различные признаки вариантов осуществления, как проиллюстрированные и описанные со ссылкой на любой один из чертежей, могут комбинироваться с признаками, проиллюстрированными на одном или более других чертежей, для создания вариантов осуществления настоящего изобретения, которые не проиллюстрированы и явно не описаны. Проиллюстрированные комбинации признаков дают характерные варианты осуществления для обычных применений. Однако различные комбинации и модификации признаков, согласующиеся с доктринами настоящего изобретения, могут требоваться для конкретного применения или реализации.
На фиг.1, в общем, под позицией 10 показан примерный вариант осуществления одного цилиндра в блоке 110 цилиндров двигателя многоцилиндрового двигателя, выполненного с возможностью работы на газообразном топливе с впускным и выпускным каналами, присоединенными к цилиндру, и примерный вариант осуществления распределительного вала, имеющего механизм переменной установки фаз распределения для управления клапанами цилиндра. Следует понимать, что конфигурация двигателя 10 является только примерной и что системы и способы, описанные в материалах настоящей заявки, могут быть реализованы в любом подходящем двигателе. Кроме того, двигатель может заводиться искровым зажиганием посредством по меньшей мере одной свечи зажигания в цилиндре (лучше всего показано на фиг.2 и 4), установка опережения которого может меняться в зависимости от условий эксплуатации, как подробнее описано в материалах настоящей заявки.
Продолжая по фиг.1, двигатель 10 управляется системой управления, которая представляет собой электронный контроллер 12 двигателя. Камера сгорания или цилиндр 14 двигателя 10 показаны включающими в себя стенки 16 камеры сгорания с поршнем 18, расположенным в них и присоединенным к коленчатому валу 20. Камера 14 сгорания показана сообщающейся с впускным коллектором 22 и выпускным коллектором 24, соответственно, через выборочные отверстия для по меньшей мере одного впускного клапана 26 и по меньшей мере одного выпускного клапана 28. Форсунка 30 газообразного топлива присоединена к камере 14 сгорания и обычно расположена центрально в пределах соответствующего отверстия головки 120 блока цилиндров для подачи впрыскиваемого топлива непосредственно в нее пропорционально сигналу длительности импульса впрыска топлива (FPV), принятому из контроллера 12 через обычный электронный формирователь 68. Топливо подается на топливную форсунку 30 газовой топливной системой (не показана), которая, например, может включать в себя топливный бак, один или более топливных насосов и направляющую-распределитель для топлива. Как подробнее описано со ссылкой на фиг.2, в одном из вариантов осуществления, первая и вторая свечи зажигания связаны с каждым цилиндром, и имеющие соответствующие первый и второй искровые зазоры расположены ближе к стенке цилиндра, чем к форсунке 30. Форсунка 30 включает в себя группу сопел, связанных со свечой зажигания/искровым зазором и расположенный с эмпирически определенным углом/расстоянием, чтобы направлять заряд топлива в полураздельную зону, связанную с каждыми свечой зажигания/искровым зазором, для сгорания.
Впускной коллектор 22 показан сообщающимся с корпусом 32 дроссельных заслонок, который содержит дроссельную заслонку 34. В этом конкретном примере, дроссельная заслонка 34 присоединена к электродвигателю 36, так чтобы положение дроссельной заслонки 34 управлялось контроллером 12 посредством электродвигателя 36. В альтернативном варианте осуществления (не показан), корпус 32 дроссельных заслонок и дроссельная заслонка 34 опущены.
X
X
Датчик 38 отработавших газов показан присоединенным к выпускному коллектору 24 выше по потоку от устройства 40 последующей обработки. Устройство 40 последующей обработки может включать в себя любой пригодный тип устройства для сокращения выбросов из двигателя 10. Примеры включают в себя, но не ограничиваются, трехкомпонентные и четырехкомпонентные каталитические нейтрализаторы отработавших газов, сажевые фильтры, уловители обедненных NO, и т.д. Как подробнее описано в материалах настоящей заявки со ссылкой на фиг.5 и 8, использование газовой топливной форсунки, имеющей группы сопел, связанные с полураздельными зонами горения для свечи зажигания/искрового зазора, в комбинации с установкой момента впрыска топлива и установкой опережения зажигания согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения может обеспечивать в результате более низкие выбросы NO на большей части рабочего диапазона двигателя.
Контроллер 12 показан на фиг.1 в качестве обычного микрокомпьютера, включающего в себя микропроцессорный блок 60, порты 62 ввода/вывода, электронный запоминающий носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в качестве микросхемы 64 постоянного запоминающего устройства в этом конкретном примере, оперативное запоминающее устройство 66, энергонезависимую память 69 и обычную шину данных. Контроллер 12 показан принимающим различные сигналы с датчиков, присоединенных к двигателю 10, в дополнение к тем сигналам, которые описаны выше, в том числе измерение засосанного массового расхода воздуха (MAF) с датчика 70 массового расхода воздуха, присоединенного к корпусу 32 дроссельных заслонок; температуру охлаждающей жидкости двигателя (ECT) с датчика 72 температуры, присоединенного к патрубку 74 охлаждения; сигнал профильного считывания зажигания (PIP) датчика 76 Холла, присоединенного к коленчатому валу 20; положение дросселя (TP) с датчика 78 положения дроссельной заслонки; и сигнал абсолютного давления в коллекторе (MAP) с датчика 71.
Двигатель может быть сконфигурирован, чтобы иметь возможности регулируемых фаз распределения впускного клапана и выпускного клапана. Например, двигатель 10 может включать в себя клапаны с электромеханическим приводом, которые управляются контроллером 12. В качестве альтернативы, как показано в типичном варианте осуществления по фиг.1, двигатель 10 может включать в себя механизм для механического регулирования установок фаз распределения впускного и/или выпускного клапана, например, посредством настройки установки фаз распределения распределительного вала. В изображенном варианте осуществления, распределительный вал 90 двигателя 10 показан смежным коромыслам 52 и 54 клапана для приведения в действие впускного клапана 26 и выпускного клапана 28. Распределительный вал 90 присоединен непосредственно к картеру 56. Картер 56 образует зубчатое колесо, имеющее множество зубцов 58. Картер 56 гидравлически присоединен к внутреннему ведущему элементу (не показан), который, в свою очередь, непосредственно связан с коленчатым валом 20 через цепь механизма газораспределения (не показана). Поэтому картер 56 и распределительный вал 90 вращаются с частотой вращения, по существу равной внутреннему ведущему элементу. Внутренний ведущий элемент вращается с постоянным передаточным отношением по отношению к коленчатому валу 20. Однако посредством манипулирования гидравлической связью, как будет описано ниже в материалах настоящей заявки, относительное положение распределительного вала 90 к коленчатому валу 20 может меняться регулированием гидравлических давлений в полости 100 опережения и полости 102 запаздывания. Например, посредством обеспечения возможности входа гидравлической жидкости высокого давления в полость 100 опережения наряду с обеспечением возможности выхода жидкости возможности из полости 102 запаздывания относительное взаимное расположение между распределительным валом 90 и коленчатым валом 20 подвергается опережению. Таким образом, впускной клапан 26 и выпускной клапан 28 открываются и закрываются в момент времени, более ранний, чем нормальный, относительно коленчатого вала 20. Аналогичным образом, посредством обеспечения возможности входа гидравлической жидкости высокого давления в полость 102 запаздывания наряду с обеспечением возможности выхода жидкости из полости 100 опережения относительное взаимное расположение между распределительным валом 90 и коленчатым валом 20 подвергается запаздыванию. Таким образом, впускной клапан 26 и выпускной клапан 28 открываются и закрываются в момент времени, более поздний, чем нормальный, относительно коленчатого вала 20.
Зубцы 58, при присоединении к картеру 56 и распределительному валу 90, обеспечивают возможность измерения относительного положения кулачка посредством датчика 104 установки фаз кулачкового распределения, выдающего сигнал регулируемых фаз кулачкового газораспределения (VCT) в контроллер 12. В изображенном варианте осуществления, четыре зубца (обозначенные 58-1, 58-2, 58-3 и 58-4) предусмотрены для измерения установки фаз кулачкового распределения и являются равномерно разнесенными (например, на 90 градусов друг от друга) наряду с тем, что зубец 58-5 с другим разнесением может использоваться для идентификации цилиндра. В дополнение, контроллер 12 отправляет сигналы управления на обычные электромагнитные клапаны (не показаны) для управления потоком гидравлической жидкости в полость 100 опережения, полость 102 запаздывания, или ни в одну из них.
Следует понимать, что фиг.1 показывает только один цилиндр многоцилиндрового двигателя и что каждый цилиндр имеет свою собственную группу впускных/выпускных клапанов, свечи(ей) зажигания, топливной форсунки и т.д. Кроме того, следует понимать, что изображенный двигатель показан только с целью примера и что системы и способы, описанные в материалах настоящей заявки, могут быть реализованы в или применены к любому другому пригодному двигателю, имеющему любые подходящие компоненты и/или компоновку компонентов, работоспособных с газообразным топливом, таким как водород, сжатый природный газ (CNG), пропан и т.д. Например, впускной клапан 26 и выпускной клапан 28 могут быть с электромеханическим приводом, а распределительный вал 90 (и различные соответствующие части) могут быть опущены. Аналогичным образом, отдельные распределительные валы могут использоваться для управления открыванием впускных клапанов 26 и выпускных клапанов 28. В тех случаях, когда каждый клапан управляется отдельным распределительным валом, каждый распределительный вал может включать в себя механизм регулируемых фаз газораспределения, такой как показанный для распределительного вала 90 на фиг.1, чтобы обеспечивать регулирование установки фаз распределения выпускных клапанов независимо от установки фаз распределения впускных клапанов, и, наоборот, с помощью системы регулируемой установки фаз кулачкового газораспределения.
В работе, воздух всасывается через впуск 22 в цилиндр 14 и смешивается с газообразным топливом. Контроллер 12 управляет форсункой 30, чтобы впрыскивать газообразное топливо непосредственно в каждый цилиндр 14 через центрально расположенную форсунку 30, которая включает в себя множество групп сопел (лучше всего проиллюстрированных на фиг.3А-3С), причем каждая группа связана с одной из по меньшей мере двух свечей зажигания (фиг.2), расположенных ближе к стенке 16 цилиндра, чем к форсунке 30, и направляя газообразное топливо в соответствующий искровой зазор свечи в цилиндре 14. Контроллер 12 использует соответствующие датчики для управления каждой свечой зажигания и каждой форсункой 30, чтобы подавать газообразное топливо непосредственно в цилиндр 14 и инициировать сгорание с установкой момента впрыска топлива и опережения зажигания, определенной в ответ на текущие условия эксплуатации двигателя и окружающей среды. В одном из вариантов осуществления, контроллер 12 управляет форсункой на всем рабочем диапазоне двигателя для впрыска газообразного топлива, состоящего по существу из водорода, чтобы обеспечивать окончание впрыска (EOI), находящегося в диапазоне только между около 15-85 градусов после верхней мертвой точки (ATDC).
Многоцилиндровые двигатели, выполненные с возможностью работы на газообразном топливе, согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения, могут быть реализованы безнаддувным двигателем, как показано, или могут включать в себя различные типы наддува. Например, двигатель 10 может включать в себя турбокомпрессор отработавших газов, нагнетатель или подобное устройство. Различные типы турбокомпрессоров или нагнетателей могут использоваться по отдельности или в комбинации. Например, турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) может использоваться в тех случаях, когда геометрия турбины и/или компрессора может меняться во время работы двигателя. В качестве альтернативы или в дополнение, турбокомпрессор с регулируемым соплом (VNT) может использоваться с регулируемым соплом, расположенным выше по потоку и/или ниже по потоку от турбины в отработавших газах, чтобы менять действующее расширение газов посредством турбины. Аналогичным образом, конструкция со сдвоенным турбокомпрессором и/или конструкция с последовательным турбокомпрессором могут использоваться в некоторых применениях и реализациях. Специалистам в данной области техники следует понимать, что система и способ для управления впрыском и воспламенением газообразного топлива согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, как правило, независимы от конкретного типа системы впуска и могут быть приспособлены для использования во множестве разных технологий двигателя.
Далее, со ссылкой на фиг.2, показан вид снизу головки блока цилиндров, иллюстрирующий расположение форсунки и свечи зажигания для четырех клапанов на цилиндр, варианта осуществления с двумя свечами зажигания двигателя, выполненного с возможностью работы на газообразном топливе, согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения. Головка 120 блока цилиндров включает в себя впускное окно и выпускное окно для каждого цилиндра в сообщении с отверстиями для первого и второго впускных клапанов 54-1 и 54-2, и первого и второго выпускных клапанов 52-1 и 52-2 соответственно. Первая свеча 210 зажигания включает в себя первый искровой зазор 212, а вторая свеча 220 зажигания включает в себя второй искровой зазор 222. Свечи 210, 220 зажигания продолжаются через соответствующие отверстия в головке 120 блока цилиндров в камеру сгорания или цилиндр 14 и расположены по существу ближайшими или смежными стенке 16 цилиндра. Например, в одном из вариантов осуществления, стволы цилиндров, определенные стенкой 16 цилиндра, имеют диаметр около 89 мм с электродами свечи зажигания для свечей 210, 220 зажигания, отделенными на 71 мм. В еще одном варианте осуществления, свечи 210, 220 зажигания расположены близко к форсунке 30, но ближе к стенке 16 цилиндра, чем к отверстию 230 для форсунки (и соответствующей форсунке, когда установлена). В одном из вариантов осуществления, свечи 210, 220 зажигания выровнены вдоль общей поперечной оси 240 цилиндров с центрально расположенным отверстием 230 для форсунки. Как проиллюстрировано, поперечная или радиальная ось 240 цилиндра продолжается между впускными клапанами 54-1, 54-2 (и соответствующими отверстиями для впускных клапанов) и выпускными клапанами 52-1 и 52-2 (и соответствующими отверстиями для выпускных клапанов). По существу, свечи 210, 220 зажигания расположены в головке 120 блока цилиндров между впускными и выпускными окнами, связанными с впускными клапанами 54-1, 54-2 и 52-1, 52-2 соответственно смежно стенке 16 цилиндра.
Фиг.3А-3С иллюстрируют форсунку газообразного топлива согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения. В противоположность различным традиционным или обычным форсункам, которые имеют конструкции сопел с соплами, по существу равномерно разнесенными по окружности распылителя форсунки и симметрично расположенные вокруг оси форсунки, форсунка газообразного топлива согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения включает в себя группы сопел, каждое из которых расположено для направления газообразного топлива только в соответствующий искровой зазор. Фиг.3А представляет собой вид сбоку форсунки 30, фиг.3В - вид с торца форсунки 30, а фиг.3С - местный разрез распылителя 300 форсунки по фиг.3В. Как показано на фиг.3А-3С, форсунка 30 включает в себя по меньшей мере одно сопло, связанное с соответствующей свечой зажигания/искровым зазором при установке в отверстии 230 для форсунки (фиг.2). В проиллюстрированном варианте осуществления, распылитель 300 форсунки включает в себя первую группу сопел, 310, которая включает в себя сопла 312, 314 и 316, и вторую группу сопел, 320, которая включает в себя сопла 322, 324 и 326. Первая группа сопел, 310, направляет газообразное топливо только на первую свечу зажигания/искровой зазор, 210/212 (фиг.2), а вторая группа сопел, 320, направляет газообразное топливо только на вторую свечу зажигания/искровой зазор, 220/222, чтобы формировать полураздельные зоны для горения, как подробнее проиллюстрировано и описано в отношении фиг.4A-4F.
X
В одном из вариантов осуществления, группы 310, 320 сопел включают в себя три (3) сопла, расположенные на основании данных компьютерного моделирования и эмпирических данных, чтобы выдавать требуемый факел для конструкции топливной форсунки 30 с направленным зарядом. Группа 310 включает в себя центральное сопло 316, отделенное от каждого смежного сопла 312, 314 на радиальный угол 340 около 14 градусов, чтобы выдавать струю топлива, направленную на соответствующую свечу зажигания/искровой зазор, которая охватывает около 28 градусов относительно центральной оси форсунки. Аналогичным образом, группа 320 включает в себя центральное сопло 322, отделенное от смежных сопел 324, 326 на радиальный угол около 14 градусов, чтобы выдавать струю топлива, направленную на соответствующую свечу зажигания/искровой зазор, которая охватывает около 28 радиальных градусов относительно центральной оси форсунки. По существу, в этом варианте осуществления, группа 310 отделена от группы 320 на около 150 радиальных градусов, чтобы формировать множество полураздельных зон, соответствующих каждой свече зажигания, для сгорания. Разумеется, радиальный охват или угол направленного заряда может меняться в зависимости от конкретных применения и реализации. Эмпирические данные и данные компьютерного моделирования для одного из прототипов предлагают охват между около 5 и около 78 градусами, которые обеспечивают приемлемый баланс между потреблением топлива и выбросами NO для моторного топлива, состоящего по существу из водорода.
X
Местный разрез распылителя 300 форсунки на фиг.3C иллюстрирует расположение сопел 312, 314, 316 и 322, 324, 326 относительно оси форсунки или относительно верха цилиндра. В одном из вариантов осуществления, сопла 312, 314, 234 и 326 образуют осевой угол 350 около в 70 градусов наряду с тем, что сопла 322 и 316 образуют осевой угол (особо не показан) около в 45 градусов. Разумеется, дополнительный угол может быть измерен от крышки или верха цилиндра. Аналогично радиальному охвату, осевой охват может меняться в зависимости от конкретных применения и реализации. Однако эмпирические данные и данные компьютерного моделирования для одного из прототипов предполагают охват между около 17 градусами и около 62 градусами относительно верха цилиндра (или между около 28 градусами и около 73 градусами относительно оси форсунки) и дают приемлемый баланс между потреблением топлива и выбросами NO для моторного топлива, состоящего по существу из водорода.
Фиг.4A-4F иллюстрируют ожидаемое или прогнозируемое распределение газообразного топлива по полураздельным зонам для горения, создаваемое форсункой, имеющей сопла, расположенные согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения. Фиг.4A и 4C представляют собой виды сбоку поршня во время первого и второго промежутков времени соответственно цикла сгорания около верхней мертвой точки, в то время как поршень 18 движется вверх во время такта сжатия и начинает движение вниз во время рабочего такта. Фиг.4B и 4D представляют собой соответствующие виды спереди поршня для первого и второго промежутков времени. Первый промежуток времени, представленный фиг.4A и 4B, соответствует ожидаемому расположению топлива во время и непосредственно после впрыска топлива, а второй промежуток времени, представленный фиг.4C и 4D, соответствует ожидаемому расположению топлива во время воспламенения. Как проиллюстрировано на фиг.4A, газообразное топливо, проходящее через первую и вторую группы сопел, ориентируется на искровые зазоры и стенку 16 цилиндра, образуя струи 410 и 412. Стенка 16 цилиндра направляет струи 410, 412 топлива на поршень 18, который отражает топливо в центр камеры 14. Вид сбоку по фиг.4B иллюстрирует относительно узкие струи топлива, сформированные каждой группой сопел, причем при этом каждая группа направляет топливо только в соответствующий искровой зазор, ближайший к стенке 16 цилиндра.
X
X
Фиг.4C и 4D иллюстрируют, что топливо хорошо смешивается в пределах высокой зоны 416 горения и низкой зоны 418 горения непосредственно перед и во время воспламенения. Низкая зона 418 горения действует в качестве изолирующего слоя для снижения теплопереноса на стенку 16 цилиндра и улучшения общего коэффициента полезного действия наряду с уменьшением формирования NO. Свечи зажигания могут быть расположены в цилиндре 14, из условия чтобы искровые зазоры были в низкой зоне горения прямо снаружи верхней зоны горения, чтобы лучше управлять скоростью сгорания и соответствующим формированием NO, как подробнее проиллюстрировано и описано со ссылкой на фиг.7.
Фиг.4E представляет собой вид сбоку поршня, а фиг.4F - вид снизу (внутри цилиндра) направленной целевой установки потока газообразного топлива для оптимального горения. Как проиллюстрировано на фиг.4E, первая и вторая группы сопел создают соответствующие струи 410 и 412, охватывающие угол 450 между около 17 градусами и около 62 градусами относительно верха цилиндра 14. Как проиллюстрировано на фиг.4F, форсунка 30 включает в себя первую и вторую группу сопел для формирования соответствующих первой и второй струй 410, 412 топлива, которые охватывают радиальный угол 460 между около 5 градусами и около 78 градусами для каждой группы.
X
X
X
X
X
Фиг.5 иллюстрирует снижение потребления топлива и выработки NO для варианта осуществления с одной свечой зажигания на цилиндр двигателя на газообразном топливе согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения. Данные по фиг.5 были сформированы для двигателя, выполненного с возможностью работы на газообразном топливе с использованием топлива, состоящего по существу из водорода. График иллюстрирует потребление топлива и NO в качестве функции установки момента впрыска с числом оборотов двигателя 3000 оборотов в минуту и коэффициентом эквивалентности (фи) 0,4. Данные по фиг.5 сравнивают рабочие характеристики направленной форсунки, имеющей две группы сопел по три сопла каждая и одну свечу на цилиндр, с обычной конструкцией форсунки, имеющей 5 сопел, большей частью равномерно разнесенных по окружности форсунки, в обеих реализациях, с одной свечой на цилиндр и двумя свечами на цилиндр. Линии 510 и 512 представляют NO и мгновенное удельное потребление топлива (ISFC) соответственно для реализации с 5-сопеловой форсункой и двумя свечами на цилиндр. Линии 514 и 516 представляют NO и ISFC соответственно для реализации с направленной форсункой (2 группами с 3 соплами каждая) и одной свечой на цилиндр. Линии 518, 520 представляют NO и ISFC соответственно для реализации с 5-сопловой форсункой и одной свечой на цилиндр. Как проиллюстрировано на фиг.5, направленная форсунка (линии 514, 516) с одной свечой на цилиндр является более совершенной по отношению к обычным конструкциям форсунки, при конфигурации с одной свечой на цилиндр или двумя свечами на цилиндр.
Фиг.6 и 7 сравнивают эффективность и стабильность сгорания для реализаций с одной свечой на цилиндр и двумя свечами на цилиндр двигателя на газообразном топливе согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения. Фиг.6 иллюстрирует окончание впрыска (EOI) в качестве функции мгновенного действующего давления во впускном коллекторе (IMEP) для реализации с одной свечой на цилиндр, как представлено линией 610, по сравнению с реализацией с двумя свечами на цилиндр, как представлено линией 620. Фиг.7 иллюстрирует время (или скорость) сгорания в качестве функции IMEP для реализации с одной свечой на цилиндр, как представлено линией 710, и реализации с двумя свечами на цилиндр, как представлено блоком 710.
Как в целом проиллюстрировано на фиг.6 и 7, установка момента впрыска является гораздо более гибкой в реализации с двумя свечами на цилиндр, представленной линией 620 с диапазоном стабильности горения, увеличенным на 20-30 градусов поворота коленчатого вала, что содействует более эффективной установке момента впрыска. Аналогичным образом, скорость сгорания улучшается на 10-90% со временем сгорания, уменьшенным на 10-15 градусов поворота коленчатого вала на всем рабочем диапазоне.
X
X
X
X
X
X
X
Фиг.8 иллюстрирует снижение потребления топлива и выработки NO для варианта осуществления с двумя свечами зажигания на цилиндр и направленными форсунками двигателя на газообразном топливе согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения. Репрезентативные данные по фиг.8 сравнивают потребление топлива и формирование NO для обычных 5-сопловых форсунок, имеющих сопла, большей частью равномерно разнесенных по окружности форсунки, с направленной форсункой, имеющей две группы из трех сопел каждая, причем группы разделены на около 150 радиальных градусов для реализаций с одной свечой на цилиндр и двумя свечами на цилиндр. Фиг.8 представляет собой размах установки момента впрыска, иллюстрирующий потребление топлива (ISFC) и формирование NO в качестве функции окончания впрыска (EOI), измеренного в градусах поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки (ATDC) с числом оборотов двигателя 3000 оборотов в минуту и коэффициентом эквивалентности (фи) 0,4. Линии 810 и 812 представляют формирование NO и потребление топлива соответственно для реализации с 5 соплами и двумя свечами. Линии 814 и 816 представляют формирование NO и потребление топлива соответственно для реализации с направленной форсункой и двумя свечами на цилиндр согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Линии 818 и 820 представляют формирование NO и потребление топлива соответственно для реализации с направленной форсункой и одной свечой на цилиндр. Линии 822 и 822 представляют формирование NO и потребление топлива, соответственно, для реализации с 5-сопловой форсункой и одной свечой на цилиндр.
X
Как проиллюстрировано на фиг.8, синергия направленной форсунки, имеющей группы сопел для направления газообразного топлива в соответствующие искровые зазоры в реализации с двумя свечами на цилиндр, как представлено линиями 814 и 816, улучшает (снижает) потребление топлива и формирование NO, особенно для установки момента впрыска между около от 55 градусов ATDC до около 70 градусов ATDC. При проецировании на работу полной системы, эта система сжигания имеет следствием автомобильный двигатель с очень высоким коэффициентом полезного действия с прогнозируемым пиковым тепловым коэффициентом полезного действия (BTE) вплоть до 48%, что является улучшением на 5% сверх современных систем, находящихся в процессе разработки. Разумеется, действующий достижимый BTE может меняться в зависимости от широкого многообразия условий эксплуатации двигателя, транспортного средства и окружающей среды.
Фиг.9 иллюстрирует работу системы или способ управления двигателем, выполненным с возможностью работы на газообразном топливе, согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что проиллюстрированные и описанные процедуры управления и оценки могут использоваться с различными конфигурациями двигателя, такими как описанные выше. Конкретная процедура, описанная в материалах настоящей заявки, может представлять собой одну или более из любого количества стратегий обработки, таких как управляемая событиями, управляемая прерыванием, многозадачная, многопоточная и тому подобная. По существу, различные проиллюстрированные этапы или функции могут выполняться в проиллюстрированной последовательности, параллельно, или в некоторых случаях пропускаться. Аналогичным образом, порядок обработки не требуется обязательно для достижения признаков и преимуществ примерных вариантов осуществления, описанных в материалах настоящей заявки, но приведен для облегчения иллюстрации и описания. Один или более из проиллюстрированных этапов или функций могут выполняться неоднократно, в зависимости от конкретной используемой стратегии. Кроме того, описанные этапы могут графически представлять управляющую программу, которая должна быть запрограммирована на машиночитаемый запоминающий носитель в контроллере 12.
Блок 910 на фиг.9 представляет контроль текущих условий эксплуатации двигателя (и/или транспортного средства) и окружающей среды. Условия эксплуатации могут включать в себя различные температуры, требование водителя, число оборотов двигателя и скорость транспортного средства, нагрузку и т.д., как определяется соответствующими датчиками или рассчитывается, либо логически выводится одним или более контроллерами, такими как контроллер 12. Установка момента впрыска и установка опережения зажигания затем определяются в ответ на текущие условия эксплуатации, как представлено блоком 920. Установка момента впрыска и установка опережения зажигания могут определяться с использованием соответствующих расчетов и/или справочных таблиц, подвергаемых доступу по одному или более рабочих параметров, таких как, например, число оборотов и нагрузка двигателя. Блок 930 представляет впрыск газообразного топлива непосредственно в каждый цилиндр через центрально расположенную форсунку, имеющую множество групп сопел, в соответственные или соответствующие искровые зазоры для формирования полураздельных зон горения, как описано выше. Контроллер 12 затем вырабатывает сигнал для инициирования воспламенения, как представлено вершиной 940 блок-схемы.
Как проиллюстрировано и описано в отношении фиг.1-9, различные варианты осуществления согласно настоящему изобретению дают соответствующие преимущества, такие как управление концентрацией и распределением топлива для сохранения компромиссов между выбросами, теплопереносом на стенки цилиндров и общим коэффициентом полезного действия двигателя. Эмпирические данные продемонстрировали, что использование двух свечей зажигания на цилиндр в комбинации с форсункой, имеющей соответствующие группы сопел из трех сопел, каждое из которых предназначено для создания множества полураздельных зон для горения, может увеличивать пиковый тепловой коэффициент полезного действия на вплоть до 5% для двигателя на водородном топливе. Однако стратегии согласно настоящему изобретению могут быть реализованы с узким диапазоном определяющих признаков конструкции. Несмотря на то что варианты осуществления, использующие единственную свечу зажигания и двойные многосопловые группы, каждая из которых имеет три сопла, улучшают общий коэффициент полезного действия, использование двойных свечей зажигания дает лучшую стабильность сгорания и содействует более гибкой установке момента впрыска, которая вносит вклад в дополнительные выигрыши по коэффициенту полезного действия. В дополнение, различные варианты осуществления демонстрируют улучшенную скорость сгорания на 10-90% со временем сгорания, уменьшенным на 10-15 градусов угла поворота коленчатого вала на всем рабочем диапазоне двигателя.
Несмотря на то что примерные варианты осуществления описаны выше, не предполагается, что эти варианты осуществления описывают все возможные формы изобретения. Словесные формулировки, используемые в описании изобретения, являются скорее словесными формулировками описания, а не ограничением, и следует понятно, что могут быть выполнены различные изменения, не выходящие за рамки сущности и объема изобретения. Кроме того, признаки различных вариантов осуществления реализации могут комбинироваться для формирования дополнительных вариантов осуществления изобретения.