СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕМ
OPERATING METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SELF-IGNITION AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SELF-IGNITION

Изобретение относится к способу работы двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением с признаками, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с признаками, согласно ограничительной части пункта 10 формулы изобретения.
2
Способ стехиометрического сгорания в двигателе внутреннего сгорания с самовоспламенением, в частности в дизельном двигателе, обеспечивает возможность использовании известного из бензинового двигателя трехходового катализатора с наименьшими выбросами из выхлопной системы. Относительно затрат труда и стоимости системы, трехходовой катализатор представляет значительное упрощение обработки отработавших газов в двигателе внутреннего сгорания с самовоспламенением. Недостатком способа стехиометрического сгорания могут быть большие выбросы СО и сажи по сравнению с режимом со сгоранием бедной смеси.
2
Установка стехиометрического сгорания с помощью альтернативного обычному дизелю топлива, предпочтительно газа, обеспечивает возможность уменьшения выбросов CO и сажи с сохранением преимуществ двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением с упрощенной обработкой отработавших газов. В принципе, известна установка стехиометрической смеси с помощью замены свежего воздуха газом (горючим газом), например, биогазом, сжиженным газом (LPG), сжатым природным газом (CNG) или испаренным жидким природным газом (LNG). Например, в WO 2011/154028 А1 и WO 2011/154027 А1 приведено описание бивалентных двигателей с турбонаддувом, в частности также двигателей с самовоспламенением, с различным соотношением воздуха и топлива, при этом предпочтительно речь идет о двигателях с принудительным воспламенением рабочей смеси в режиме смешивания с водородом.
В DE 103 21 793 А1 приведено описание способа работы бивалентного двигателя внутреннего сгорания, который способен работать в обедненном режиме с помощью топлива, типа водорода. Дано определение первого, соседнего стехиометрическому соотношению воздуха и топлива обедненного диапазона и второго, примыкающего к нему в направлении больших значений λ обедненного диапазона, при этом работа осуществляется во втором обедненном диапазоне или при приблизительно стехиометрическом соотношении воздуха.
WO 02/101214 А1 относится к системе управления бивалентного дизельного двигателя, который в первом режиме работы может работать на дизельном топливе и во втором режиме работы со смесью из дизельного топлива и газа метан.
В GB 2 402 754 описывается способ для эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с двумя топливами. Топлива могут представлять собой дизельное топливо и газ. При этом, двигатель внутреннего сгорания в определенных полях рабочих режимов эксплуатируется с определенными составами из топлива и воздуха в камере сгорания. При этом, для определенных полей режимов впрыскивается только дизельное топливо, а для других осуществляется два впрыска, один дизельного топлива и один газа. При этом для воздушно-топливной смеси для расчета наряду с воздушной массой также учитывается масса газа и дизельного топлива. Чтобы использовать оптимальное для режима количество, количество топлива определяется с помощью расчета со стехиометрическими отношениями между воздухом и топливами (дизель и газ). Так, определяют воздушно-топливное отношение, которое учитывает оба топлива.
DE 10 2008 001 724 описывает способ и устройство для оптимизации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания.  При этом двигатель работает с двумя топливами, первое – дизельное топливо, второе – этанол. Здесь описано, что оптимизация отработавших газов осуществляется, если оба топлива с воздухом достигают значения λ=1 или близкого к 1.
2
Способы стехиометрического сгорания для двигателя внутреннего сгорания в соединении с трехходовым катализатором в чисто газовом режиме в принципе известны и широко используются для двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением. В этом случае особенно желательно достижение полного сгорания без не желательного выброса метана, поскольку метан примерно в 25 раз сильнее действует на парниковый эффект, чем СО. Практическое ограничение чисто газовой работы для пользователей таких двигателей внутреннего сгорания представляет лишь ограниченно имеющаяся до настоящего времени инфраструктура. Наконец, газ вблизи полной нагрузки двигателя может приводить к детонации, так что для ее предотвращения необходимо переставлять момент зажигания, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия.
На этом фоне задачей данного изобретения является создание способа работы бивалентного двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением, который объединяет преимущества режима работы с первым топливом с преимуществами режима работы со смесью из первого и второго топлива, в частности, относительно характеристик выброса.
Эта задача решена, согласно изобретению, с помощью способа работы двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением с признаками, согласно пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные модификации изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В способе, согласно изобретению, работы двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением, в частности, бивалентного двигателя внутреннего сгорания, который предназначен для работы (эксплуатируется) с первым топливом и/или со вторым топливом, в одном режиме работы двигатель внутреннего сгорания работает в первом частичном диапазоне возможных значений нагрузка-скорость вращения (в параметрической поверхности) со смесью из первого и второго топлива по существу стехиометрически. Во втором частичном диапазоне возможных значений нагрузка-скорость вращения (в параметрической поверхности), который отличен от первого частичного диапазона, двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением работает (эксплуатируется) лишь с первым топливом.
Согласно изобретению, можно осуществлять установку стехиометрической смеси посредством замены свежего воздуха вторым топливом: для достижения стехиометрической смеси используется превышающая стехиометрическое соотношение с первым топливом доля свежего воздуха для стехиометрического сгорания второго топлива. При этом, согласно изобретению, предусмотрено разделение параметрической поверхности двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением на указанные выше частичные диапазоны, называемые также рабочими диапазонами.
2
2
Следовательно, может быть упрощена обработка (нейтрализация) отработавших газов двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением и понижена стоимость системы. В частности, можно отказаться от компонентов обработки отработавших газов для уменьшения, соответственно, удаления оксидов азота, например, от системы SCR-катализатора и/или системы накопления оксидов азота. Вместо этого возможно использование трехходового катализатора в двигателе внутреннего сгорания с самовоспламенением с очень высокой степенью преобразования оксидов азота, углеводородов и окиси углерода. В стехиометрическом режиме можно повышать температуру отработавших газов для поддержки обработки отработавших газов. Таким образом, в конкретных вариантах выполнения двигателя внутреннего сгорания с конкретными первым и вторым топливом, возможно повышенное окисление метана, повышенное окисление сажи и/или непрерывная регенерация фильтра твердых частиц. Предпочтительно, обеспечивается достижение уменьшения, соответственно, перекомпенсации выброса СО, соответственно, уменьшения расхода топлива на основе лучшего Н-С-соотношения газа. Это приводит к меньшему выбросу СО относительно высвобождаемого при сгорании количества энергии. Наконец, может также достигаться уменьшение выброса сажи и/или уменьшение загрузки фильтра твердых частиц в обработке отработавших газов.
Кроме того, предпочтительно двигатель внутреннего сгорания может работать стехиометрически в другом режиме работы в первом частичном диапазоне возможных значений нагрузка-скорость вращения лишь с первым топливом. За счет этого предпочтительно возможна работа двигателя внутреннего сгорания независимо от инфраструктуры для второго топлива во всей параметрической поверхности.
Первый частичный диапазон и второй частичный диапазон могут граничить друг с другом по линии предельной нагрузки. Первый и второй частичный диапазон могут дополнять друг друга с образованием всей параметрической поверхности. При этом первый частичный диапазон предпочтительно ограничивается линией полной нагрузки, линией предельной нагрузки, участком линии минимальной скорости вращения и участком линии максимальной скорости вращения, а второй частичный диапазон предпочтительно ограничивается линией минимальной нагрузки, линией предельной нагрузки, другим участком линии минимальной скорости вращения и другим участком линии максимальной скорости вращения.
В одном предпочтительном варианте выполнения соответствующего изобретению способа работы двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением, в режиме работы в первом частичном диапазоне подается первая доля первого топлива, и вторая доля второго топлива подается в изменяемой смеси для сгорания. При этом первая и вторая доля дополняют друг друга до 100%, и первая доля составляет между 100% и 10%, а вторая доля - между 0% и 90%.
Особенно предпочтительно, когда дополнительно к этому двигатель внутреннего сгорания работает во втором частичном диапазоне сверхстехиометрически (λ>1).
В одной предпочтительной модификации соответствующего изобретения способа при возникновении нерегулярного феномена сгорания в режиме работы в первом частичном диапазоне - в поддиапазоне первого частичного диапазона - доля второго топлива уменьшается до ниже 90%.
Конкретно, в предпочтительном варианте выполнения способа в качестве первого топлива применяется дизельное топливо и в качестве второго топлива - газ, в частности, биогаз, LPG, CNG (особенно предпочтительно) или LNG.
Двигатели внутреннего сгорания с самовоспламенением, в которых используется способ, согласно изобретению, могут иметь по меньшей мере один возврат отработавших газов, один возврат отработавших газов высокого давления и/или низкого давления. Для таких двигателей внутреннего сгорания предпочтительно, когда в другом режиме работы в первом частичном диапазоне не происходит возврата отработавших газов, и/или когда при работе во втором частичном диапазоне происходит возврат отработавших газов.
Такие двигатели внутреннего сгорания с самовоспламенением, согласно изобретению, следует отличать от так называемых двухтопливных двигателей. Двухтопливные двигатели являются газодизельными двигателями, которые работают с помощью способа с воспламенением от впрыскивания дизельного топлива. В этом способе с воспламенением от впрыскивания дизельного топлива до 99% дизельного топлива заменяется газом. Поскольку газ имеет относительно высокое октановое число, то необходимо принудительное зажигание. Используемое дизельное топливо служит в качестве пусковой жидкости и воспламеняет смесь воздуха и газа. При этом дизельное топливо поставляет лишь до 1% общего количества энергии. В способе, согласно изобретению, используемые количества дизельного топлива выше. Способы с воспламенением от впрыскивания дизельного топлива, в которых используется воспламенение газа с помощью небольшого количества дизельного топлива, известны в стехиометрическом или сверхстехиометрическом режиме, например, из ЕР 964 139 В1, DE 198 26 477 A1, DE 197 54 354 C1, DE 195 05 127 C1, DE 34 04 038 A1 и АТ 5936 U1.
В связи с идеей изобретения предлагается также двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением, предпочтительно для транспортного средства, в частности безрельсового наземного транспортного средства, такого как легковой автомобиль или транспортное средство промышленного назначения, содержащий блок управления, который содержит по меньшей мере одно вычислительное устройство и один (читаемый вычислительным устройством) элемент памяти. Согласно изобретению, в элементе памяти сохранена программа, которая по меньшей мере при частичном выполнении в вычислительном устройстве обеспечивает возможность выполнения стадий способа работы двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением с признаками или комбинацией указанных признаков. Двигатель внутреннего сгорания предпочтительно выполнен с возможностью наддува.
Указанные в данном описании признаки могут быть реализованы по отдельности или в комбинации всех признаков или части всех признаков в способе, согласно изобретению, и/или в двигателе внутреннего сгорания, согласно изобретению.
Другие преимущества и предпочтительные варианты выполнения и модификации изобретения поясняются более подробно ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - блок-схема варианта выполнения дизельного двигателя с наддувом, в котором используется способ, согласно изобретению;
фиг. 2 - пример параметрической поверхности нагрузки и скорости вращения дизельного двигателя с наддувом, согласно фиг.1, для смешанной работы с дизельным топливом и газом с соответствующим изобретению разделением на первый и второй частичный диапазон, при этом первый частичный диапазон разделен на два поддиапазона; и
фиг. 3 - пример параметрической поверхности нагрузка-скорость вращения дизельного двигателя с наддувом согласно фиг.1 для его работы чисто с дизельным топливом с соответствующим изобретению разделением на первый и второй частичный диапазон, при этом разделение идентично показанному на фиг.2 разделению.
Показанный схематично на фиг.1 двигатель 10 внутреннего сгорания с самовоспламенением является дизельным двигателем с наддувом с обычной топливной системой для прямого впрыска дизельного топлива в камеру сгорания. Отдельные блоки обозначены на фиг.1 позициями, значения которых приведены в прилагаемом списке позиций. Обработка (нейтрализация) отработавших газов с помощью катализатора 28 окисления дизельного топлива и фильтра 30 для твердых частиц дизельного топлива может быть заменена в альтернативном варианте выполнения трехходового катализатором. В то время как проходящие через турбину 18 отработавшие газы еще содержат твердые частицы, они удаляются из отработавших газов с помощью комбинации из катализатора 28 окисления дизельного топлива и фильтра 30 для твердых частиц дизельного топлива. Оксиды азота, не сгоревшие углеводороды (НС) и окись углерода удаляются из отработавших газов ниже по потоку с помощью трехходового катализатора 38. Другими словами, состоящая из катализатора 28 окисления дизельного топлива и фильтра 30 для твердых частиц дизельного топлива система обработки отработавших газов дополнена трехходовым катализатором, перед достижением отработавших газов выхлопа 40 отработавших газов. В качестве альтернативного решения, трехходовой катализатор может заменять катализатор окисления или может быть расположен после фильтра твердых частиц дизельного топлива. Кроме того, двигатель имеет возврат отработавших газов, выполненный в этом варианте выполнения в виде возврата 24 отработавших газов высокого давления (HD-EGR) и возврата 32 отработавших газов низкого давления (ND-EGR). Предусмотрена возможность управления HD-EGR 24 с помощью клапана 26 HD-EGR. ND-EGR 32 имеет охладитель 34 отработавших газов. Для ND-EGR также предусмотрена возможность управления с помощью клапана. ND-EGR ответвляется перед заслонкой 36 отработавших газов по потоку перед трехходовым катализатором 36 и оканчивается выше по потоку компрессора 16 в подводе 14 воздуха.
Дополнительно к этому, дизельный двигатель снабжен впрыском газа. Возможные места подвода газа обозначены на фиг.1 позициями 42-52, а именно, это - центральный впрыск в подвод 14 воздуха (от первой до четвертой позиции 42, 44, 46, 48), перед или после компрессора 16, охладителя 20 воздуха наддува и дросселя 22, или, что особенно предпочтительно, канальный впрыск для каждого цилиндра по отдельности (пятая позиция 50, MPI). В качестве альтернативного решения, может осуществляться прямой впрыск в цилиндры в блоке 12 цилиндров, при этом на фиг.1 показан впрыск лишь в один цилиндр (шестая позиция 52, DI).
На фиг.2 показана в качестве примера параметрическая поверхность нагрузка-скорость вращения дизельного двигателя с наддувом, согласно фиг.1, для его работы со смесью дизельного топлива и газа (первый режим работы) с соответствующим изобретению разделением. На оси ординат показана нагрузка 54 и на оси абсцисс - скорость 56 вращения. Параметрическая поверхность дизельного двигателя разделена на первый частичный диапазон 58 и второй частичный диапазон 60 (рабочие диапазоны) с соответствующими различными формами работы дизельного двигателя.
При небольших нагрузках двигатель работает во втором частичном диапазоне 60 сверхстехиометрически с дизельным топливом (λ>1). Возникающие при этом выбросы азота уменьшаются с помощью возврата отработавших газов. Начиная от средних до высоких нагрузок, устанавливается в поддиапазоне 62 первого частичного диапазона 58 стехиометрическая смесь дизельного топлива и газа (λ=1), так что достигаются наивысшие степени преобразования отработавших газов с помощью трехходового катализатора. Для установки стехиометрических отработавших газов часть свежего воздуха заменяется газом. Соотношения между дизельным топливом и газом составляют от 100% дизельного топлива и 0% газа до примерно 10% дизельного топлива и примерно 90% газа. Предпочтительно, стехиометрическая работа происходит при оптимальном положении центра тяжести сгорания, конкретно AI50%, 5-15° угла коленчатого вала после верхней мертвой точки.
При наивысших нагрузках двигатель работает во втором поддиапазоне 64 первого частичного диапазона 58 до линии полной нагрузки аналогично первому поддиапазону 62 первого частичного диапазона 58. При возникновении нерегулярного сгорания, например, при сгорании с детонацией, уменьшается доля газа и, соответственно, увеличивается доля дизельного топлива. В частности, доля газа уменьшается ниже 90%.
На фиг.3 показана в качестве примера параметрическая поверхность нагрузка-скорость вращения дизельного двигателя с наддувом согласно фиг.1 для работы в чисто дизельном режиме с соответствующим изобретению разделением. На оси ординат показана нагрузка 54 и на оси абсцисс - скорость 56 вращения. Параметрическая поверхность дизельного двигателя разделена на первый частичный диапазон 58 и второй частичный диапазон 60 (рабочие диапазоны) с соответствующими различными формами работы дизельного двигателя.
В этом режиме работы дизельный двигатель может работать по всей параметрической поверхности лишь с дизельным топливом. При небольших нагрузках двигатель работает во втором частичном диапазоне 60 стехиометрически с дизельным топливом (λ>1). Возникающие при этом выбросы азота уменьшаются с помощью возврата отработавших газов. Начиная от средних нагрузок до линии 66 полной нагрузки в первом частичном диапазоне устанавливается стехиометрическая смесь (λ=1), так что достигаются наивысшие степени преобразования отработавших газов с помощью трехходового катализатора. При таких нагрузках возврат отработавших газов не выполняется. Для установки стехиометрических отработавших газов предпочтительно уменьшается масса свежего воздуха посредством изменения геометрии турбины наддува.
Относительно различия между первым частичным диапазоном 58 и вторым частичным диапазоном 60, в частности, точного положения линии предельной нагрузки в предпочтительном варианте выполнения, ниже даются дополнительные пояснения.
x
x
Во втором частичном диапазоне 60 дизельный двигатель работает с избытком воздуха и имеет в соответствии с этим соотношение воздуха и топлива λ≈1,1-6,0. Для обеспечения возможности установки при остающейся неизменной рабочей точке стехиометрической смеси (λ=1), необходимо уменьшать массу воздуха и изменять регулирование качества (с помощью количества топлива) на регулирование количества (с помощью количества смеси), при котором воздух и топливо всегда имеют одинаковое соотношение. При небольших нагрузках во втором частичном диапазоне параметрической поверхности масса воздуха уже настолько мала, что для стехиометрической работы (λ=1) масса воздуха не может быть уменьшена дальше посредством изменения давления наддува компрессора с помощью изменяемой геометрии турбины. Давление воздуха уже равно окружающему давлению и не может быть понижено дальше. Подобно двигателю с принудительным зажиганием, соответственно, бензиновому двигателю, необходимо в этом диапазоне параметрической поверхности дросселировать двигатель, с целью получения желаемой уменьшенной массы воздуха. Однако дросселирование оказывает отрицательное влияние на коэффициент полезного действия и тем самым увеличивает расход топлива. Поэтому двигатель должен переходить в стехиометрический режим работы лишь с полной нагрузки всасывающего патрубка, т.е. границы минимального давления наддува без дросселирования. Ниже этой границы (линии предельной нагрузки) дизельный двигатель работает во втором частичном диапазоне 60 с избытком воздуха (λ<1). Выбросы NO уменьшаются с помощью возврата отработавших газов, выбросы НС и СО преобразуются с помощью катализатора окисления, соответственно, трехходового катализатора. Начиная с полной нагрузки всасывающего патрубка, дизельный двигатель работает в первом частичном диапазоне 58 стехиометрически (λ=1) с регулированием количества. Регулирование массы воздуха предпочтительно осуществляется с помощью изменяемой геометрии турбины. Соотношение воздуха и топлива при λ=1 обеспечивает возможность применения трехходового катализатора, который способен преобразовывать три особенно не желательных продуктов сгорания (NO, СО и НС).
Однако стехиометрический режим работы дизельного двигателя имеет термодинамические недостатки, так что увеличивается расход топлива. Кроме того, за счет уменьшения массы воздуха по сравнению со сверхстехиометрическим режимом работы повышаются выбросы сажи. Поскольку газ по сравнению с дизельным топливом имеет лучшее соотношение Н и С и сгорает почти без сажи, то целью изобретения является замена в этом диапазоне параметрической поверхности части дизельного топлива газом. Предпочтительно, расход топлива и выбросы сажи при работе при λ=1 со смесью газа и дизельного топлива могут быть уменьшены по сравнению с работой при λ=1 чисто с дизельным топливом.
Относительно различия между первым поддиапазоном 62 первого частичного диапазона 58 и вторым поддиапазоном 64 первого частичного диапазона 58, в частности, относительно точного положения пограничной линии, ниже приводятся дополнительные пояснения. Газ может, так же как и бензиновое топливо, самовоспламеняться, что приводит к сгоранию с детонацией. Ответственными за это являются, прежде всего, высокие давления и температуры в цилиндрах, которые имеются в дизельном двигателе при полной нагрузке или вблизи нее. В бензиновых двигателях детонация предотвращается посредством уменьшения соотношения сжатия и посредством установки на более поздний момент времени зажигания. Однако обе эти меры оказывают отрицательное влияние на коэффициент полезного действия, т.е. приводят к увеличению расхода топлива. В этом случае долю газа необходимо уменьшать в верхнем диапазоне параметрической поверхности до количества, которое при имеющихся краевых условиях не приводит к сгоранию с детонацией. Количество дизельного топлива, соответственно, снова повышается.
В качестве заключения ниже приводится пример разделения топлива между дизельным топливом и газом. Соотношение газа и дизельного топлива определяется для дизельных двигателей экспериментально и закладывается в виде параметрической поверхности (соотношения газа и дизельного топлива в зависимости от нагрузки и скорости вращения) в блок управления двигателя. Соотношение λ воздуха и топлива определяется в виде частного из массы воздуха, разделенной на произведение массы топлива и минимальной потребности топлива в воздухе.
Относительно вычисления разделения при работе с газом и дизельным топливом это означает, что знаменатель является суммой из произведений массы и минимально требуемого воздуха, соответственно, для дизельного топлива и для газа.
Из этого можно определять массу газа при известной массе дизельного топлива и массе воздуха и известном значении λ.
Например, при минимальной потребности в воздухе для дизельного топлива 14,5 кг на 1 кг дизельного топлива, массе дизельного топлива 0,5 кг, минимальной потребности в воздухе для газа 16 кг на 1 кг газа и массе воздуха 14,5кг, получается общая масса при стехиометрическом сгорании (λ=1), равная 0,453 кг.
Перечень позиций
10 Двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением
12 Блок цилиндров
14 Подвод воздуха
16 Компрессор
18 Турбина
20 Охладитель воздуха наддува
22 Дроссель
24 Возврат отработавших газов низкого давления (HD-EGR)
26 Клапан HD-EGR
28 Катализатор окисления дизельного топлива
30 Фильтр твердых частиц дизельного топлива
32 Возврат отработавших газов низкого давления (ND-EGR)
34 Охладитель отработавших газов
36 Заслонка отработавших газов
38 Трехходовой катализатор
40 Выпуск отработавших газов
42 Первое положение впрыска газа
44 Второе положение впрыска газа
46 Третье положение впрыска газа
48 Четвертое положение впрыска газа
50 Пятое положение впрыска газа
52 Шестое положение впрыска газа
54 Нагрузка
56 Скорость вращения
58 Первый частичный диапазон
60 Второй частичный диапазон
62 Первый поддиапазон
64 Второй поддиапазон
66 Линия полной нагрузки