СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ
METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATION

Изобретение относится к способу работы двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к двигателю внутреннего сгорания, в частности, для выполнения способа согласно ограничительной части пункта 12 формулы изобретения.
В DE 102007022230 А1 приведено описание способа этого вида, в котором в двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением в режиме монотоплива подают дизельное топливо и в режиме двух видов топлива вместе с дизельным топливом для создания поджигающей струи подают газообразное или жидкое альтернативное топливо, такое как, например, природный газ, биогаз, метанол, этанол и т.д. В дизельном режиме по соображениям коэффициента полезного действия желательно, чтобы двигатель внутреннего сгорания работал с наддувом, предпочтительно с турбонаддувом отработавшими газами, при этом необходимо предусматривать регулирование давления наддува с помощью перепускного трубопровода и перепускного клапана. При этом возврат отработавших газов с помощью управляемого возвратного клапана отработавших газов служит в основном для уменьшения значений NOx в отработавших газах. Кроме того, в системе отработавших газов обычно используется катализаторы отработавших газов, которые, среди прочего, исключают выделение частиц сажи в отработавших газах.
Задачей изобретения является создание способа указанного вида, с помощью которого обеспечивается выполнение требований по достижению небольших предельных показателей выброса отработавших газов также в режиме работы двигателя внутреннего сгорания на двух видах топлива при небольших дополнительных затратах. Кроме того, должен быть создан предпочтительный с точки зрения конструкции и управления двигатель внутреннего сгорания для выполнения указанного способа.
Решение задачи относительно способа возможно с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. Относительно двигателя внутреннего сгорания решение возможно с помощью признаков пунктов 12-15 формулы изобретения. Предпочтительные модификации способа и двигателя внутреннего сгорания являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно изобретению предлагается, что двигатель внутреннего сгорания в режиме работы на двух видах топлива работает с повышенным коэффициентом рециркуляции отработавших газов, и дополнительно к этому подачу воздуха в системе впуска дросселируют так, что в отработавших газах устанавливается значение коэффициента избытка воздуха от больше 1 до максимально 1,3, предпочтительно от больше 1 до максимально 1,2, более предпочтительно от больше 1,03 до 1,1, в частности 1,05. За счет предложенных мер можно эффективно снижать выброс азота (NOx); значительно понижается также выброс углеводорода (НС). Кроме того, за счет дросселирования воздуха сгорания до указанного значения коэффициента избытка воздуха повышается температура отработавших газов так, что установленный ниже по потоку катализатор окисления может обеспечивать быстро срабатывающее, эффективное преобразование долей НС и СО в отработавших газах. В частности, это особенно предпочтительно при работе с природным газом, имеющим метан в качестве основной составляющей части. Несгоревший во время рабочего процесса метан представляет очень стабильное соединение, которое не может быть окислено с помощью обычных дизельных катализаторов окисления. Специальные катализаторы окисления метана требуют высоких рабочих температур свыше 450°С. Однако температуры отработавших газов современных дизельных двигателей значительно ниже этого значения. Для обеспечения эффективности катализатора окисления решающее значение имеет также то, что при указанном значении коэффициента избытка воздуха (сверхстехиометрическом соотношении топлива и воздуха) в отработавших газах имеется достаточно кислорода, с целью обеспечения возможности окисления НС и СО.
Дросселирование подачи воздуха можно предпочтительно осуществлять с помощью дроссельной заслонки в системе впуска, которая регулируется, среди прочего, в зависимости от сигнала по меньшей мере одного используемого в системе выпуска кислородного датчика (лямбда - зонда). Таким образом, кислородный датчик управляет не, как обычно, дозированием топлива, - оно может дозироваться постоянно в соответствии с трехмерной графической характеристикой, - а подмешиванием воздуха сгорания для регулирования значения коэффициента избытка воздуха.
Кроме того, предлагается, что коэффициент рециркуляции отработавших газов в режиме работы на двух видах топлива составляет 40% или больше от подаваемого количества воздуха, т.е. значительно выше по сравнению с дизельным режимом. Эта мера приводит, в частности, к значительному уменьшению выброса оксида азота и предотвращает опасность аномалий сгорания, таких как сгорание с детонацией и слишком раннее самовоспламенение.
Кроме того, на основании термодинамических различий в процессе сгорания в камерах сгорания двигателя внутреннего сгорания предпочтительно, когда в режиме работы на двух видах топлива давление наддува в устройстве наддува уменьшается в заданной мере, предпочтительно долговременно, однако предпочтительно возвращается обратно в двигателе внутреннего сгорания с турбонаддувом отработавшими газами с помощью по меньшей мере одного турбонагнетателя отработавших газов посредством предпочтительно длительного открывания по меньшей мере одного перепускного клапана. Поскольку в режиме работы на двух видах топлива двигатель работает без большого избытка воздуха, то за счет этого можно уменьшать противодавление отработавших газов за счет обхода по меньшей мере одной работающей на отработавших газах турбины (улучшенный газообмен).
В режиме работы двигателя внутреннего сгорания на двух видах топлива можно для оказания дополнительного благоприятного влияния на процессы сгорания разделять дозированно подаваемое количество жидкого топлива на предварительный впрыск и основной впрыск, или на основной впрыск и последующий впрыск, или на предварительный, основной и последующий впрыск, при этом основной впрыск всегда должен выполняться перед верхней мертвой точкой (ОТ) соответствующего цилиндра.
При этом предпочтительно при низкой нагрузке (предпочтительно заданной как соответствующей примерно до 40% максимально возможного крутящего момента) основной впрыск жидкого топлива выполняется по меньшей мере за 15° перед верхней мертвой точкой соответствующего цилиндра, а при относительно большей нагрузке (предпочтительно заданной как соответствующей больше 80% максимально возможного крутящего момента) – примерно 2-5º перед верхней мертвой точкой соответствующего цилиндра. Кроме того, при основном впрыске должно впрыскиваться 70–90%, в частности, примерно 80% соответствующего требуемого жидкого топлива.
Кроме того, в режиме работы на двух видах топлива можно выполнять предварительный впрыск жидкого топлива через устройство впрыска, за счет чего становится более плоским подъем давления в камерах сгорания двигателя внутреннего сгорания. Последующий впрыск может способствовать улучшению характеристик воспламенения заряда и, соответственно, уменьшению образования сажи.
Относительно способа дополнительно предлагается, что в фазе холодного запуска и/или холостого хода двигатель внутреннего сгорания работает лишь в режиме работы на одном виде топлива, с целью обеспечения стабильных характеристик движения и низких предельных показателях выброса отработавших газов при непрогретом двигателе.
Отработавшие газы, возвращаемые в систему впуска двигателя внутреннего сгорания, можно в режиме работы на одном виде топлива, как само по себе известно, охлаждать, а в режиме работы на двух видах топлива охлаждать меньше или не охлаждать, с целью обеспечения в режиме работы на двух видах топлива, в частности, гомогенизации подаваемого заряда и повышения температуры отработавших газов. Кроме того, температуру возвращаемых отработавших газов можно повышать в режиме работы на двух видах топлива за счет активирования более короткого возвратного трубопровода или за счет функции охлаждения интегрированного в возвратный трубопровод охладителя возвращаемых отработавших газов. Эти обе меры относительно просто реализуемы конструктивно и с точки зрения управления.
Кроме того, в качестве альтернативного решения или дополнительно, в двигателе внутреннего сгорания с охладителем воздуха наддува можно в режиме работы на двух видах топлива уменьшать или прерывать функцию охлаждения охладителя наддувочного воздуха.
Двигатель внутреннего сгорания, согласно изобретению, характеризуется тем, что двигатель внутреннего сгорания в режиме работы на двух видах топлива работает за счет модифицированного управления возвратным клапаном отработавших газов с более высоким коэффициентом возврата отработавших газов, чем в режиме работы на одном виде топлива, и, кроме того, дросселируется подача воздуха в системе впуска с помощью управляемого дроссельного элемента так, что в отработавших газах устанавливается значение коэффициента избытка воздуха больше 1–1,3, предпочтительно больше 1–1,2, наиболее предпочтительно 1,03–1,1, в частности примерно 1,05. В частности, подача воздуха в режиме работы на двух видах топлива может устанавливаться с помощью по меньшей мере одного расположенного в системе отработавших газов кислородного датчика (лямбда-зонда) при постоянной подаче топлива через дроссельный элемент.
Кислородный датчик может быть предпочтительно широкополосным кислородным датчиком с диапазоном измерения между 0,7 и 4, с целью обеспечения надежного регулирования дроссельного элемента, соответственно, дроссельной заслонки в системе впуска на желаемое значение коэффициента избытка воздуха во всем рабочем диапазоне двигателя внутреннего сгорания.
В простой с точки зрения управления модификации можно в режиме работы двигателя внутреннего сгорания на двух видах топлива управлять давлением наддува в трубопроводе наддува системы впуска с помощью обходящего работающую на отработавших газах турбину перепускного клапана или перепускного трубопровода, в то время как в режиме работы на двух видах топлива перепускной клапан более или менее длительно открыт и не происходит регулирование давления наддува, как уже указывалось выше.
Когда в качестве альтернативного топлива применяется газ, то газовый смеситель предпочтительно расположен по потоку после дроссельной заслонки в виде кольцевого смесителя вокруг общего трубопровода наддувочного воздуха, при этом при необходимости выход трубопровода возврата отработавших газов может быть интегрирован в кольцевой смеситель для того, чтобы обеспечивать уже снаружи камер сгорания двигателя внутреннего сгорания гомогенное смешивание воздуха сгорания, газа и возвращаемых отработавших газов при конструктивно компактных размерах.
Наконец, в одном предпочтительном варианте выполнения изобретения можно применять два связанных друг с другом электронных прибора управления двигателем, из которых один, как обычно, управляет дозированием жидкого топлива в режиме работы на одном виде топлива, давлением наддува, рециркуляцией отработавших газов и т.д., а второй прибор управления двигателем управляет дозированием обоих видов топлива, дроссельной заслонкой в соответствии со значениями коэффициента избытка воздуха, повышенным возвратом отработавших газов через возвратный клапан, уменьшением давления наддува посредством открывания перепускного клапана и при необходимости температурой отработавших газов посредством возврата отработавших газов и их охлаждением, как указано в относящихся к способу пунктах формулы изобретения.
Ниже приводится более подробное пояснение примера выполнения со ссылками на прилагаемую единственную фигуру, на которой схематично изображен двигатель внутреннего сгорания для дизельного режима и режима работы на двух видах топлива.
4
На фигуре показан в рамках, необходимых для понимания изобретения, шестицилиндровый, поршневой четырехтактный двигатель 1 внутреннего сгорания для транспортного средства, в частности для грузового автомобиля, который может работать в режиме работы на одном виде топлива с жидким топливом, соответственно, дизельным топливом, и в режиме работы на двух видах топлива на дизельным топливом в качестве источника воспламенения и альтернативном топливе, соответственно, в данном случае природном газе (CH).
Двигатель 1 внутреннего сгорания имеет содержащее воздушную заслонку наддувочное устройство с двумя работающими на отработавших газах турбонагнетателями 2, 3, которые установлены друг за другом в качестве ступени низкого давления и ступени высокого давления.
При этом компрессор 2а ступени низкого давления всасывает через впускной трубопровод 4 и воздушный фильтр 5 воздух сгорания и подает его при необходимости через соединенный с охлаждающей системой (не изображена) двигателя внутреннего сгорания промежуточный охладитель 6 в соединительный трубопровод 7 ко второму компрессору 3а ступени высокого давления. Оттуда сжатый воздух сгорания подается через трубопровод 8 наддувочного воздуха с интегрированным охладителем 9 наддувочного воздуха во впускной коллектор 10 и затем через не изображенные клапаны газораспределения в камеры сгорания двигателя 1 внутреннего сгорания.
Охладитель 9 наддувочного воздуха соединен, например, с радиатором 11 системы охлаждающей воды двигателя 1 внутреннего сгорания, через который проходит поток охлаждающего воздуха за счет скоростного напора при движении и с помощью управляемого в зависимости от температуры, электрического вентилятора 12.
На стороне отработавших газов двигатель 1 внутреннего сгорания имеет соединенный с камерами сгорания через каналы отработавших газов (не обозначены позицией) выпускной коллектор 13, с которым соединены через общий трубопровод 14 для отработавших газов работающая на отработавших газах турбина 3b ступени высокого давления, а затем работающая на отработавших газах турбина 2b ступени низкого давления.
Из работающей на отработавших газах турбины 2b отработавшие газы отводятся через отводящий отработавшие газы трубопровод 15 и по меньшей мере один глушитель 16 в атмосферу.
На работающей на отработавших газах турбине 3b высокого давления расположен перепускной трубопровод 17, который в обход работающей на отработавших газах турбины 3b соединен с трубопроводом 14 для отработавших газов по потоку перед и после работающей на отработавших газах турбины 3b. Предусмотрена возможность управления пропускной способностью перепускного трубопровода 17 с помощью перепускного клапана 18, при этом перепускной клапан 18 приводится в действие в зависимости от давления наддува в трубопроводе 8 наддувочного воздуха с помощью электрического импульсного клапана 19. Перепускной клапан 18 приводится в действие известным образом в режиме работы на одном виде топлива двигателя 1 внутреннего сгорания для регулирования давления наддува.
Такой перепускной клапан может быть в качестве альтернативы или дополнительно предусмотрен аналогичным образом также на работающей на отработавших газах турбине 2b низкого давления.
4
4
2
2
В выпускном коллекторе 13, соответственно, в отходящих от камер сгорания двигателя 1 внутреннего сгорания каналах отработавших газов установлены катализаторы 20 окисления СН; кроме того, в трубопроводе 14 отработавших газов по потоку перед работающими на отработавших газах турбинах 3b, 2b предусмотрены другие катализаторы 20 окисления СН, в которых при соответствующем насыщении кислородом окисляются при температурах, превышающих 450°С доли С, НС и СО в отработавших газах с образованием НО и СО.
Кроме того, двигатель 1 внутреннего сгорания снабжен внешним устройством возврата отработавших газов, которое состоит из возвратного трубопровода 21, возвратного клапана 22 и соединенного с системой охлаждения двигателя 1 внутреннего сгорания охладителя 23 отработавших газов. Возвратный трубопровод 21 соединен, с одной стороны, с трубопроводом 14 отработавших газов и, с другой стороны, - с трубопроводом 8 наддувочного воздуха. За счет соответствующего управления возвратным клапаном 22 можно желаемым образом задавать коэффициент возврата отработавших газов.
Для работы двигателя 1 внутреннего сгорания в режиме на одном виде топлива, соответственно, в дизельном режиме, предусмотрено известным образом устройство впрыска топлива (например, общая топливная магистраль) по существу с одной форсункой 24 впрыска в камеру сгорания для каждого цилиндра, общим подводящим топливо трубопроводом 25 и насосом 26 высокого давления, который создает необходимое для впрыска высокое давление. Время и количество впрыска электрически управляемых клапанов 24 впрыска определяются с управлением согласно трехмерной графической характеристикой с помощью первого электронного прибора 28 управления двигателем в зависимости от сигнала нагрузки (педали 29 газа), сигналов скорости вращения и температуры (не изображены) и т.д.
Для режима работы на двух видах топлива двигателя 5 внутреннего сгорания в трубопровод 8 наддувочного воздуха вблизи впускного коллектора 10 интегрирован газовый смеситель, соответственно, кольцевой смеситель 30 в качестве подающего устройства для природного газа, управление которым относительно количества вдувания осуществляется через клапаны вдувания с помощью второго электронного прибора 31 управления двигателем.
Кольцевой смеситель 30, в который может быть также интегрирован выход возвратного трубопровода 21 отработавших газов вблизи впускного коллектора 10, соединен через газовый смеситель 32 с датчиками давления и температуры, с двумя запирающими клапанами 33, предохранительным клапаном 34 и регулятором 35 давления газа предпочтительно с несколькими баллонами 36 высокого давления для природного газа, и снабжается через них в режиме работы на двух видах топлива природным газом в качестве альтернативного топлива.
Для воспламенения природного газа в камерах сгорания двигателя 1 внутреннего сгорания через форсунки 24 впрыска впрыскивается дополнительно вычисленное количество дизельного топлива, при этом этот впрыск разделен на предварительный впрыск, основной впрыск и последующий впрыск следующим образом:
Основной впрыск происходит всегда перед верхней мертвой точкой соответствующего цилиндра двигателя 1 внутреннего сгорания, а именно при низкой нагрузке (до примерно 40% максимально возможного крутящего момента) по меньшей мере 15° перед верхней мертвой точкой и при высокой нагрузке (при больше 80% максимально возможного крутящего момента) - примерно 2–5° перед верхней мертвой точкой, при этом впрыскивается 70–90%, в частности, примерно 80% соответствующего требуемого дизельного топлива.
Кроме того, выполняется предварительный впрыск для обеспечения более плоского нарастания давления в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, а также последующий впрыск (эффект дожигания) для уменьшения доли сажи в отработавших газах.
Для управления впрыском в режиме работы на двух видах топлива оба прибора 28, 31 управления двигателем, соответствующим образом, соединены друг с другом в сеть, чтобы управлять как подачей заменяющего топлива (природного газа), так и дизельного топлива в качестве источника воспламенения.
Для этого в трубопроводе 8 наддувочного воздуха по потоку перед газовым смесителем 30 предусмотрена электрически управляемая дроссельная заслонка 37, которая дросселирует поток воздуха сгорания в зависимости от сигнала установленного в трубопроводе 15 отработавших газов по потоку после работающей на отработавших газах турбины 2b широкополосного кислородного датчика 38 и датчика 39 температуры, которые соединены с управляющим прибором 31 так, что в отработавших газах обеспечивается значение коэффициента избытка воздуха от больше 1 до максимально 1,3, в частности 1,05 (как известно, значение коэффициента избытка воздуха, равное 1, соответствует стехиометрическому соотношению топлива и воздуха, в то время как λ=1,05 или больше соответствует обедненному режиму, соответственно, избытку воздуха). Широкополосной кислородный датчик 38 предпочтительно имеет диапазон измерения λ от 0,7 до 4.
Требуемое смешивание дизельного топлива и альтернативного топлива, соответственно, природного газа, в режиме работы на двух видах топлива осуществляется с управлением по параметрической поверхности (трехмерная графическая характеристика) с помощью управляющих приборов 28, 31 в зависимости от сигналов нагрузки, сигналов скорости вращения, сигналов температуры температурных датчиков 39 и управляемого с помощью клапана 22 возврата отработавших газов, который по сравнению с режимом работы на одном виде топлива увеличен на 40% и больше для поднятия температуры отработавших газов двигателя 1 внутреннего сгорания.
Для этого можно при необходимости повышать температуру возвращаемых отработавших газов за счет того, что, либо коротко замыкается охладитель 23 отработавших газов, либо за счет использования различно длинных возвратных трубопроводов 21 (не изображены), в которых отработавшие газы теряют больше или меньше тепловой энергии. Кроме того, для этого можно при необходимости повышать температуру воздуха сгорания в трубопроводе 8 наддувочного воздуха посредством уменьшения или отключения охлаждения с помощью охладителя воздуха наддува (не изображено).
В режиме работы на одном виде топлива, соответственно, в дизельном режиме, предпочтительно для запуска двигателя 1 внутреннего сгорания и при непрогретом двигателе управление впрыском жидкого топлива осуществляется обычным образом с помощью прибора 28 управления двигателем, кроме того, также регулирование давления наддува посредством управления перепускным клапаном 18 и степени возврата отработавших газов с помощью возвратного клапана 22. Дроссельная заслонка 37 постоянно открыта.
С помощью второго прибора 31 управления двигателем осуществляется дозирование альтернативного топлива, соответственно, природного газа, требуемого количества дизельного топлива в качестве источника воспламенения, управление дроссельной заслонкой 31 в зависимости от значений λ кислородного датчика 38 в системе отработавших газов, и повышенным возвратом отработавших газов за счет соответствующего управления возвратным клапаном 22. Кроме того, с помощью импульсного клапана 19 полностью открывается перепускной клапан 18, за счет чего более или менее сильно уменьшается давление наддува. Наконец, при необходимости дополнительно повышается температура отработавших газов двигателя 1 внутреннего сгорания за счет уменьшенного охлаждения в возвратном трубопроводе 21 и/или в трубопроводе 8 наддувочного воздуха.
2
2
За счет этих мер значительно понижается выброс азота (NOx) и выброс углеводорода (НС). Кроме того, за счет дросселирования воздуха сгорания для достижения указанного значения λ, температура отработавших газов повышается так, что установленные ниже по потоку катализаторы 20 окисления могут обеспечивать быстро начинающееся, эффективное преобразование долей НС или СО в отработавших газах. При этом решающее значение имеет то, что за счет указанного значения λ (слегка сверхстехиометрического соотношения топлива и воздуха) имеется достаточное количество воздуха в отработавших газах, с целью обеспечения возможности окисления НС и СО в НО и СО.
Изобретение не ограничивается примером выполнения, описание которого приведено выше.
В частности, в режиме работы на двух видах топлива двигателя 1 внутреннего сгорания можно применять также другие альтернативные топлива в газообразном или жидком виде, при этом устройство подачи топлива выполнено, соответственно, для альтернативного топлива.
Расположение катализаторов 20 окисления и/или кислородного датчика 38 может быть также выполнено отлично от показанного расположения.
Вместо ступенчатого наддува с помощью работающих на отработавших газах турбонагнетателей 2 и 3 может быть также предусмотрено простое турбонагнетание с помощью отработавших газов или компрессорное нагнетание.
При указанном выше ступенчатом наддуве могут быть при необходимости предусмотрены также два перепускных клапана 18 в двух перепускных трубопроводах 17, которые коротко замыкают соответствующую работающую на отработавших газах турбину (3b и 2b).
Кроме того, вместо указанной подачи альтернативного топлива (в одной точке) можно выполнять также избирательный для цилиндров многоточечный впрыск, соответственно, вдувание в расположенные на стороне головки цилиндров впускные каналы двигателя 1 внутреннего сгорания.
Решающее значение имеют параметры способа, с помощью которых в режиме работы на двух видах топлива двигателя 1 внутреннего сгорания осуществляется регулирование значения λ подачи воздуха (с помощью дроссельной заслонки 37) примерно на 1,05 и одновременно осуществляется значительное повышение степени возврата отработавших газов на 40% или больше. Эта мера, при необходимости в соединении с другими, не обязательно предлагаемыми признаками, приводит к более быстро начинающейся, более эффективной очистке отработавших газов.
ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
1 Двигатель внутреннего сгорания
2 Турбонагнетатель, работающий на отработавших газах, ступень низкого давления
2а Компрессор
2b Работающая на отработавших газах турбина
3 Турбонагнетатель, работающий на отработавших газах, ступень высокого давления
3а Компрессор
3b Работающая на отработавших газах турбина
4 Впускной трубопровод
5 Воздушный фильтр
6 Промежуточный охладитель
7 Соединительный трубопровод
8 Трубопровод наддувочного воздуха
9 Охладитель наддувочного воздуха
10 Впускной коллектор
11 Охладитель воды
12 Вентилятор
13 Выпускной коллектор
14 Трубопровод для отработавших газов
15 Трубопровод для отработавших газов
16 Глушитель
17 Перепускной трубопровод
18 Перепускной клапан
19 Импульсный клапан
20 Катализаторы окисления
21 Трубопровод возврата отработавших газов
22 Клапан возврата отработавших газов
23 Охладитель возвращаемых отработавших газов
24 Клапаны впрыска
25 Трубопровод впрыска
26 Насос высокого давления
27 Бак жидкого топлива
28 Прибор управления двигателем
29 Педаль газа
30 Кольцевой газовый смеситель
31 Прибор управления двигателем
32 Газопровод
33 Запирающие клапаны
34 Предохранительный клапан
35 Регулятор давления воздуха
36 Баллоны высокого давления
37 Дроссельная заслонка
38 Кислородный датчик
39 Температурный датчик