ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF ITS OPERATION (VERSIONS)

Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию способов и устройства для использования рециркуляции выхлопного газа для работающего на газообразном топливе двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.
Предпосылки к созданию изобретения
Рециркуляцию выхлопного газа (EGR) (этот термин в данном описании обозначает также рециркулированный выхлопной газ) используют в работающих на газообразном топливе дизельных двигателях с воспламенением от сжатия для содействия снижению выбросов оксидов азота (NOx). EGR позволяет снижать концентрацию кислорода во всасываемом заряде, входящем в среду сгорания, до уровня ниже атмосферной концентрации кислорода. При EGR определенное количество выхлопного газа из одного цикла сгорания удерживается в камере сгорания или возвращается в нее в последующем цикле сгорания. Выхлопной газ разбавляет кислород во всасываемом заряде.
Использующий EGR двигатель обычно начинает работать со всасываемым зарядом, который имеет атмосферную концентрацию кислорода, который почти полностью отбирается из воздуха. Кислород потребляется во время сгорания топлива. Полученные за счет сгорания выхлопные газы обеднены кислородом. Следовательно, если перемешать полученные за счет сгорания выхлопные газы со всасываемым зарядом воздуха, то концентрация кислорода в этом заряде будет снижена.
Хорошо известно, что использование EGR в дизельных двигателях с воспламенением от сжатия может приводить к получению других токсичных составляющих. Эффективностью сгорания называют эффективность, с которой энергия сгорания преобразуется в механическую энергию. По мере того как концентрация кислорода в среде сгорания падает, могут потребоваться более высокие скорости впрыскивания для поддержания эффективности сгорания. Только практические (эмпирические) пути повышения скоростей впрыскивания могут приводить к повышению выбросов частиц. Следовательно, EGR обладает ограниченной полезностью в снижении NOx выбросов в известных дизельных двигателях.
Скорости впрыскивания могут быть увеличены за счет увеличения давлений впрыскивания топлива или за счет увеличения размера или количества отверстий впрыскивающего сопла. Достаточно трудно повысить давление впрыскивания топлива, так как дизельное топливо уже вводят под очень высоким давлением. Давления впрыскивания дизельного топлива могут достигать 30000 psi и обычно ограничены за счет конструкции инжектора и насоса. Увеличение давления даже на 2000 или 3000 psi недостаточно для существенного повышения скоростей впрыскивания.
Более высокие скорости впрыскивания также могут быть достигнуты за счет увеличения размера отверстия инжектора. Однако увеличение размера отверстия инжектора может приводить к ухудшению распыления дизельного топлива, что может приводить к образованию большего числа частиц (в выбросах), чем это обычно имеет место. Увеличение числа отверстий инжектора также может приводить к образованию большего числа частиц, так как соседние струи топлива могут взаимодействовать друг с другом.
Несмотря на то, что уже известны стратегии последующей обработки для снижения концентрации частиц в выхлопных газах ранее выпуска таких газов в атмосферу, следует иметь в виду, что последующая обработка частиц является очень трудоемкой и дорогостоящей операцией.
Кроме проблемы возрастания выбросов в результате использования EGR в дизельных двигателях, повышение уровней частиц за счет использования более высоких уровней EGR может приводить к нарушению правильной работы компонентов в EGR системах.
В некоторых двигателях с воспламенением сжатием в качестве газообразного топлива используют природный газ. Несмотря на то, что такие двигатели позволяют снизить число частиц, имеются другие препятствия для использования EGR в таких двигателях. Так как природный газ самовоспламеняется при температуре существенно более высокой, чем дизельное топливо, часто используют предварительное топливо для инициирования сгорания. После того как природный газ воспламеняется в точке в камере сгорания, в двигателях на природном газе используют распространение фронта пламени от источника воспламенения во всем объеме камеры сгорания, чтобы сжигать топливовоздушную смесь.
В этом случае высокие уровни EGR могут приводить к неэффективному сгоранию или к пропускам зажигания. Поддержание высокой скорости пламени важно по соображениям эффективности. По мере возрастания отношения количества воздуха к количеству топлива, скорость пламени падает, что приводит к снижению эффективности. В предельном случае скорость пламени падает до нуля раньше полного сгорания топлива и происходит частичный пропуск зажигания.
В связи с изложенным существует необходимость в создании двигателей внутреннего сгорания со сниженными выбросами.
Краткое изложение изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагаются способы и устройство для применения EGR в двигателях с непосредственным впрыском газообразного топлива и с воспламенением сжатием. В соответствии со специфическими вариантами настоящего изобретения рабочие параметры двигателя позволяют использовать более высокие уровни EGR и снижать чувствительность к пропуску зажигания. Давление впрыскивания можно варьировать для поддержания эффективности сгорания при более высоких скоростях EGR. В некоторых вариантах настоящего изобретения используют EGR для подогрева всасываемого заряда. Это позволяет создавать более благоприятные условия воспламенения для природного газа.
Таким образом, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается способ эксплуатации работающего на газообразном топливе двигателя внутреннего сгорания. Способ предусматривает направление всасываемого заряда из впускной линии в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания; сжатие всасываемого заряда внутри камеры сгорания; непосредственное впрыскивание газообразного топлива в сжатый всасываемый заряд внутри камеры сгорания при давлении более 12 МПа; воспламенение газообразного топлива; сжигание газообразного топлива; направление выхлопного газа, произведенного во время сгорания газообразного топлива, из камеры сгорания в выпускную линию и направление некоторого количества выхлопного газа из выпускной линии через линию рециркуляции выхлопного газа во впускную линию, так что последующий всасываемый заряд содержит заданное количество выхлопного газа.
Указанный способ также предусматривает зависимость заданного количества выхлопного газа от максимально допустимого уровня выбросов двигателя и/или от заданного давления. Давление также находится в зависимости от указанного количества выхлопного газа. Впрыскивание газообразного топлива может производится в течение заданной длительности, которая зависит от указанного количества выхлопного газа, или в заданный момент времени, который зависит от указанного количества выхлопного газа. Предпочтительно начало впрыскивания газообразного топлива производить при углах поворота коленчатого вала двигателя от -20 до 5 градусов. Давление впрыскивания газообразного топлива предпочтительно составляет менее 30 МПа.
Указанный способ также предусматривает сгорание газообразного топлива в режиме послойного сгорания, которое может включать в себя диффузионное сгорание.
В соответствии с одним из вариантов вышеуказанный способ дополнительно предусматривает определение концентрации выбросов в указанном количестве выхлопного газа, причем концентрация выбросов представляет собой концентрацию одного из материалов, выбранных из группы, в которую входят:
угарный газ,
углеводороды,
объединенные угарный газ и углеводороды,
объединенные угарный газ и частицы,
объединенные углеводороды и частицы или
объединенные угарный газ, углеводороды и частицы,
определение рабочей точки степени рециркуляции выхлопного газа, при которой концентрация выбросов превышает их максимальную концентрацию; регулировку количества выхлопного газа для создания уровня рециркуляции выхлопного газа, расположенного ниже рабочей точки, когда концентрация выбросов превышает их максимальную концентрацию.
В соответствии с изобретением способ предусматривает возможность охлаждения указанного количества выхлопного газа ранее направления его из впускной линии в камеру сгорания или сжатия указанного количества выхлопного газа ранее направления его из впускной линии в камеру сгорания, или направления оставшегося количества выхлопного газа через турбину турбонагнетателя, после того как указанное количество выхлопного газа направлено в линию рециркуляции выхлопного газа, или направления выхлопного газа через турбину турбонагнетателя, до того как указанное количество выхлопного газа направлено в линию рециркуляции выхлопного газа.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается способ эксплуатации работающего на газообразном топливе двигателя внутреннего сгорания. Способ предусматривает определение желательной массы рециркулированного выхлопного газа и желательной массы заряда; направление всасываемого заряда из впускной линии в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания; сжатие всасываемого заряда в камере сгорания; непосредственное впрыскивание газообразного топлива в камеру сгорания при давлении более 12 МПа; воспламенение газообразного топлива; сжигание газообразного топлива и направление некоторого количества выхлопного газа, полученного за счет сгорания указанного газообразного топлива, из камеры сгорания; предотвращение выхода оставшегося количества выхлопного газа из камеры сгорания, причем остающееся количество устанавливают в соответствии с желательной массой рециркулируемого выхлопного газа; введение последующего всасываемого заряда в камеру сгорания, причем последующий всасываемый заряд имеет массу, основанную на желательной массе полного заряда, уменьшенной на желательную массу рециркулируемого выхлопного газа.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. Способ предусматривает направление всасываемого заряда из впускной линии в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания; сжатие всасываемого заряда; введение топлива во всасываемый заряд внутри камеры сгорания; воспламенение топлива; сжигание топлива; направление выхлопного газа, полученного за счет сгорания топлива, из указанной камеры сгорания в выпускную линию; определение концентрации выбросов в выхлопном газе, причем концентрация выбросов представляет собой концентрацию одного из материалов, выбранных из группы, в которую входят:
i. угарный газ,
ii. углеводороды,
iii. объединенные угарный газ и углеводороды,
iv. объединенные угарный газ и частицы,
v. объединенные углеводороды и частицы или
vi. объединенные угарный газ, углеводороды и частицы,
определение рабочей точки уровня рециркуляции выхлопного газа, при которой концентрация выбросов равна максимальной концентрации выбросов или превышает ее; определение заданного количества выхлопного газа, направляемого через линию рециркуляции, причем количество выхлопного газа создает уровень рециркуляции, лежащий ниже указанной рабочей точки; направление некоторого количества выхлопного газа, определенного на основании заданного количества выхлопного газа в линии рециркуляции, во впускную линию, причем последующий всасываемый заряд содержит указанное количество выхлопного газа.
Способ предусматривает определение концентрации выбросов из справочной таблицы на основании набора рабочих параметров двигателя или при помощи математической модели на основании набора рабочих параметров двигателя, или по результатам стендовых испытаний, или измеряли непосредственно.
В указанном способе впрыскивание топлива возможно непосредственно в камеру сгорания, при заданном давлении и изменение заданного давления в зависимости от количества выхлопного газа, или при заданной длительности и изменение заданной длительности в зависимости от количества выхлопного газа. При впрыскивании топлива в заданный момент времени предусмотрено изменение заданного момента времени в зависимости от количества выхлопного газа. Возможно впрыскивание топлива в камеру сгорания, когда поршень, расположенный в цилиндре внутри двигателя внутреннего сгорания, находится в верхней мертвой точке или вблизи от нее. Топливо может представлять собой газообразное топливо, в том числе природный газ. Сгорание топлива может производится в режиме послойного сгорания.
В соответствии с изобретением устройство для рециркуляции выхлопного газа, предназначенное для использования в работающем на газообразном топливе двигателе внутреннего сгорания с прямым впрыском, содержит впускную линию, выпускную линию и линию рециркуляции для направления некоторого количества выхлопного газа из выпускной линии во впускную линию, причем газообразное топливо впрыскивается в камеру сгорания под давлением более 12 МПа.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается работающий на газообразном топливе двигатель внутреннего сгорания. Двигатель содержит устройство для рециркуляции выхлопного газа по п.30; по меньшей мере один цилиндр с поршнем, причем указанный цилиндр и указанный поршень частично ограничивают камеру сгорания, при этом поршень совершает при работе двигателя возвратно-поступательное движение между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой внутри цилиндра; контроллер, выполненный с возможностью обработки рабочих данных для создания профиля двигателя; инжектор газообразного топлива, способный производить непосредственное впрыскивание газообразного топлива в камеру сгорания под давлением свыше 12 МПа, причем инжектор получает сигналы управления от контроллера; впускную линию для введения заряда в камеру сгорания через впускной клапан; выпускную линию для направления выхлопного газа, полученного за счет сгорания газообразного топлива, из камеры сгорания через выпускной клапан и линию рециркуляции выхлопного газа, при помощи которой контроллер может подавать некоторое количество выхлопного газа из выпускной линии во впускную линию.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается двигатель внутреннего сгорания. Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр с поршнем, причем цилиндр и поршень частично ограничивают камеру сгорания, при этом поршень совершает при работе двигателя возвратно-поступательное движение между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой внутри цилиндра; контроллер, выполненный с возможностью обработки рабочих данных для создания профиля двигателя; инжектор газообразного топлива, способный производить непосредственное впрыскивание газообразного топлива в камеру сгорания, причем инжектор имеет отверстия сопел диаметром от 0,6 до 1,0 мм, при этом инжектор получает сигналы управления от контроллера; впускную линию для введения заряда в камеру сгорания через впускной клапан выпускную линию для направления выхлопного газа, полученного за счет сгорания газообразного топлива, из камеры сгорания через выпускной клапан и линию рециркуляции выхлопного газа, при помощи которой контроллер может подавать некоторое количество выхлопного газа из выпускной линии во впускную линию.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. Способ предусматривает направление всасываемого заряда из впускной линии в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания; сжатие указанного всасываемого заряда внутри указанной камеры сгорания; непосредственное впрыскивание топлива в сжатый всасываемый заряд внутри камеры сгорания в следующем диапазоне параметров: давление свыше 12 МПа и угол от 10 до 20 градусов ниже панели зажигания, причем указанная панель зажигания частично ограничивают камеру сгорания; воспламенение топлива; сжигание указанного топлива; направление выхлопного газа, полученного во время сгорания топлива, из камеры сгорания в выпускную линию; направление некоторого количества выхлопного газа из выпускной линии через линию рециркуляции во впускную линию, причем последующий всасываемый заряд содержит указанное количество выхлопного газа.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. Способ предусматривает направление всасываемого заряда, практически свободного от газообразного топлива, из впускной линии в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания; сжатие всасываемого заряда внутри камеры сгорания; непосредственное впрыскивание газообразного топлива в сжатый всасываемый заряд внутри камеры сгорания под давлением свыше 12 МПа; сжигание газообразного топлива в режиме послойного сгорания или в режиме диффузионного сгорания; направление выхлопного газа, полученного во время сгорания газообразного топлива, из камеры сгорания в выпускную линию; направление некоторого количества указанного выхлопного газа из указанной выпускной линии через линию рециркуляции во впускную линию, причем последующий всасываемый заряд содержит указанное количество выхлопного газа.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предлагается способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания. Способ предусматривает направление всасываемого заряда из впускной линии в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания; сжатие всасываемого заряда внутри камеры сгорания; непосредственное впрыскивание газообразного топлива в сжатый всасываемый заряд внутри камеры сгорания под давлением; воспламенение газообразного топлива; сжигание газообразного топлива и направление выхлопного газа, произведенного во время сгорания газообразного топлива из камеры сгорания в выпускную линию, в которой некоторое количество выхлопного газа из выпускной линии направляется через линию рециркуляции выхлопного газа во впускную линию, и во время последующего цикла двигателя последующий всасываемый заряд содержит заданное количество выхлопного газа, и заданное количество выхлопного газа и давление зависят друг от друга.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан график скорости впрыскивания в зависимости от давления впрыскивания для дизельного инжектора.
2
На фиг.2 показан график зависимости давления впрыскивания, необходимого для поддержания уровня эффективности сгорания, от концентрации О для топливных стратегий как дизельного топлива, так и природного газа.
2
На фиг.3 показан график зависимости концентрации О и выбросов частиц (твердых частиц) от диаметра отверстия инжектора для впрыскивания дизельного топлива.
На фиг.4A-4D показаны соответственно поперечные сечения камеры сгорания работающего на газообразном топливе двигателя внутреннего сгорания во время тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска поршня.
На фиг.5А схематично показано устройство для использования EGR с двигателем, с послойным распределением заряда при сгорании, в соответствии с первым вариантом настоящего изобретения.
На фиг.5В схематично показано устройство в соответствии с вариантом фиг.5А.
На фиг.6 схематично показано устройство для использования EGR с двигателем, с послойным распределением заряда при сгорании, в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения.
На фиг.7 схематично показано устройство для использования EGR с двигателем, с послойным распределением заряда при сгорании, в соответствии с третьим вариантом настоящего изобретения.
На фиг.8 схематично показано устройство для использования EGR с двигателем, с послойным распределением заряда при сгорании, в соответствии с четвертым вариантом настоящего изобретения.
На фиг.9 схематично показано устройство для использования EGR с двигателем, с послойным распределением заряда при сгорании, в соответствии с пятым вариантом настоящего изобретения.
На фиг.10 схематично показано объединенное устройство для использования EGR с двигателем, с послойным распределением заряда при сгорании, в соответствии с шестым вариантом настоящего изобретения.
На фиг.11A-11F показаны соответственно поперечные сечения камеры сгорания, демонстрирующие использование внутренней EGR в двигателе с послойным распределением заряда при сгорании, в различных фазах цикла эксплуатации.
На фиг.12 и 13 показаны схемы последовательности операций, иллюстрирующие работу системы управления EGR.
Подробное описание изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается EGR устройство и способы для двигателей, в которых производят прямой впрыск топлива. В этом описании термин "сгорание заряда топливной смеси с послойным распределением по составу" включает в себя диффузионное сгорание и сгорание частично перемешанных или имеющих частичное послойное распределение по составу зарядов, но не включает в себя сгорание гомогенных (однородных) зарядов. Аналогичным образом "режим послойного сгорания" представляет собой режим сгорания топлива, которое не является гомогенным, а вместо этого является расслоенным, причем этот режим сгорания включает в себя диффузионное сгорание.
На фиг.1 все кривые 20, 22, 24 и 26 показывают скорость впрыскивания дизельного топлива в функции давления впрыскивания. Эти кривые соответствуют различным диаметрам сопла, причем диаметры сопла увеличиваются в направлении стрелки 28.
На фиг.2 показано давление впрыскивания, которое требуется для поддержания эффективности сгорания, в функции концентрации кислорода во всасываемом воздухе как для двигателя на дизельном топливе (кривая 36), так и для двигателя на природном газе (кривая 38).
На фиг.3 показана зависимость концентрации 44 кислорода и концентрации 46 частиц (твердых частиц в выбросах) от размера отверстия инжектора для двигателя на дизельном топливе при поддержании эффективности сгорания.
Фиг.1-3 позволяют понять проблемы, возникающие в том случае, когда пытаются использовать EGR для снижения образования NOx в двигателях на дизельном топливе. На фиг.1 показано, что при заданном размере отверстия инжектора повышение давления дает относительно малый прирост топлива, подаваемого в камеру сгорания двигателя на дизельном топливе. Таким образом, увеличенное давление впрыскивания не может быть использовано эффективно в таких двигателях для противодействия эффектам образования обедненной кислородом среды в камере сгорания.
Как это показано стрелкой 28, увеличенные размеры отверстия сопла могут быть использованы для увеличения скорости впрыскивания. Однако, как это показано на фиг.3, выбросы частиц увеличиваются, когда дизельное топливо вводят при помощи больших отверстий сопла.
На фиг.4A-4D показана камера сгорания 50 двигателя, снабженного системой EGR в соответствии с настоящим изобретением. Поршень 52 совершает возвратно-поступательное движение между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой во время типичного четырехтактного цикла. Предусмотрены впускной клапан 54 и впускная линия 56, а также выпускной клапан 58 и выпускная линия 60 и, кроме того, инжектор 62. Всасываемый воздух 64 и выхлопной газ 66 вводятся в газообразное топливо 68. Топливом 68 может быть природный газ.
На фиг.4А поршень 52 движется в направлении стрелки 57. На фиг.4В поршень 52 движется в направлении стрелки 61. На фиг.4С поршень 52 движется в направлении стрелки 65. На фиг.4D поршень 52 движется в направлении стрелки 67.
В то время как поршень 52 движется из верхней мертвой точки в направлении вниз, в камере сгорания 50 возрастает количество всасываемого воздуха 64, вводимого в камеру сгорания через впускную линию 56 и через открытый впускной клапан 54. Во время такта сжатия поршня 52, показанного на фиг.4В, всасываемый воздух сжимается внутри камеры 50. Как только поршень доходит до верхней мертвой точки или находится вблизи от нее, или раньше этого момента, или же при начале рабочего такта, впрыскивают (заданное) количество газообразного топлива 68 в камеру сгорания 50 через инжектор 62.
Топливо 68 сгорает в камере сгорания, при этом выделяется энергия, которая приводит в движение поршень 52 во время рабочего такта. Топливо обычно воспламеняют за счет создания условий воспламенения в камере сгорания. Воспламенению может содействовать введение в камеру сгорания небольшого количества самовоспламеняющегося топлива, такого как дизельное топливо. Топливо с более легким самовоспламенением или создает условия в камере сгорания для самовоспламенения основного топлива, или сжигает основное топливо. Другие виды топлива с более легким самовоспламенением могут быть также использованы, в зависимости от указанных условий в камере сгорания во время начала рабочего такта и в зависимости от свойств самовоспламенения основного топлива.
Содействие воспламенению и сгоранию топлива может быть обеспечено при помощи горячей поверхности в камере сгорания. Под давлением в камере сгорания, горячая поверхность вызывает воспламенение газообразного топлива и распространение пламени во всем объеме камеры сгорания.
После завершения рабочего такта выпускной клапан 58 открывается, чтобы выхлопной газ, полученный за счет сгорания газообразного топлива 68, мог выходить через выпускной клапан 58 в выпускную линию 60.
Некоторое количество выхлопного газа затем отбирается из выпускной линии 60 и направляется во впускную линию 56. Так как количество кислорода, имеющееся в исходном всасываемом воздухе, уменьшается после сгорания (так как кислород расходуется в процессе горения), то кислород в свежем воздухе, вводимом через впускную линию, разбавляется за счет введения некоторого количества выхлопного газа, вводимого во впускную линию. Поэтому, в последующем цикле всасывания, поступающий в камеру сгорания всасываемый воздух будет иметь более низкую концентрацию кислорода, чем в случае без введения выхлопного газа. Эта обедненная концентрация кислорода позволяет контролировать поддержание эффективности сгорания или удовлетворять требованиям оператора двигателя.
Концентрация кислорода может быть определена из расчета, с использованием датчиков, установленных во впускной и/или выпускной системе, которые непосредственно или косвенно контролируют потоки через входную, выходную, EGR и топливную системы.
Когда топливо 68 впрыскивают непосредственно под высоким давлением, оно сгорает в камере сгорания в соответствии со свойствами поверхности раздела между непосредственно впрыснутым топливом и всасываемым зарядом (воздуха). Эффективность сгорания можно поддерживать за счет регулирования параметров, таких как давление, под которым впрыскивают топливо 68. Повышение давления впрыскивания повышает скорость поступления топлива 68 в камеру сгорания и позволяет увеличить количество впрыснутого топлива. Количеством введенного топлива можно также управлять, например, за счет изменения размера отверстия сопла 62 или изменения числа отверстий. Более высокие давления могут также повышать турбулентность перемешивания, что может содействовать сгоранию, особенно в случае низкого содержания кислорода.
Более высокие скорость, нагрузка и уровень EGR требуют более высокого давления для поддержания эффективности. Обратное справедливо при более низких скорости, нагрузке и уровне EGR.
Обычно при прямом впрыске под высоким давлением используют набор соответствующих параметров. При этом топливо вводят в камеру сгорания при таких условиях и с использованием таких средств, которые позволяют создавать при сгорании газообразного топлива характеристики выхлопного газа, подходящие для высоких уровней EGR, и позволяют обеспечивать преимущества HPDI (прямого впрыска под высоким давлением). Эти условия указаны в следующей таблице.
Параметр
Предпочтительный/Примерный диапазон
1. Давление впрыскивания
От 12 МПа до 30 МПа
2. Скорость газовой струи
скорость звука при условиях в камере сгорания
3. Число отверстий сопла для впрыскивания газа
От 5 до 10
4. Начало впрыскивания газа
От -20 до + 5 ATDC
5. Начало впрыскивания предварительного топлива
от 5 до 10 градусов угла поворота коленчатого вала раньше газа
6. Степень сжатия
От 16 до 20
7. Время впрыскивания газа
от 5 до 30 градусов угла поворота коленчатого вала
8. Температура газа in rail
От 30°С до 80°С
9. Угол впрыскивания
от 10 до 20 градусов ниже панели зажигания
10. Размер отверстий инжектора
От 0,15 до 1 мм
В таблице ATDC обозначает "после верхней мертвой точки" и измеряется как угол (градусы) поворота коленчатого вала поршня после верхней мертвой точки.
На фиг.5-10 схематично показано несколько систем с внешним EGR, которые могут быть использованы в двигателях с прямым впрыском под высоким давлением в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.5А схематично показана первая EGR система 15. В системе 15 выпускные линии, отходящие из группы цилиндров блока 69 цилиндров двигателя, подают выхлопные газы в общую основную выпускную линию 70. Линия EGR 74 ответвляется от выпускной линии 70 в сочленении 71 с EGR и соединяется со впускной линией 80 в сочленении 78. Клапан 72 EGR установлен в линии EGR 74. Клапан 72 EGR может быть установлен вблизи от сочленения 71 EGR или ниже по течению в линии EGR 74, ближе к сочленению 78. EGR охладитель 76 расположен в линии EGR 74 ранее EGR сочленения 78.
Впускная линия 80 служит для подачи воздуха, а обычно атмосферного воздуха, из источника всасываемого воздуха, через турбонагнетатель 82. Турбонагнетатель 82 может представлять собой турбонагнетатель с фиксированной или переменной геометрией. Турбонагнетатель с переменной геометрией может иметь компрессор с переменной геометрией. Турбонагнетатель 82 может быть снабжен перепускным клапаном.
Охладитель 84 всасываемого воздуха расположен во впускной линии 80 ниже по течению от турбонагнетателя 82 и выше по течению от сочленения 78. Ниже по течению от сочленения 78 всасываемый воздух направляется во впускные линии нескольких камер сгорания. Показаны направление 86 потока EGR, направление 88 потока выхлопных газов и направление 90 потока воздуха.
На фиг.5В показана EGR система 15А, которая представляет собой вариант EGR системы фиг.5А. Система 15А имеет дополнительную обводную линию 89, перепускной клапан 91 и впускной клапан 93.
В вариантах, показанных на фиг.5А и 5В, выхлопной газ из любого числа камер сгорания собирается в выпускной линии 70. Из выпускной линии 70 выхлопной газ проходит через EGR сочленение 71 и через турбину турбонагнетателя 82. Клапан 72 регулирует количество выхлопного газа, направляемого через линию EGR 74 в направлении 86 и во впускную линию 80. Клапан 72 обеспечивает поддержание желательного минимального потока выхлопного газа через турбонагнетатель 82.
Ранее введения выхлопного газа во впускную линию 80 количество выхлопных газов, которое проходит через линию EGR 74, пропускается через EGR охладитель 76. Это позволяет повысить плотность выхлопных газов, что позволяет вводить больше рециркулированных выхлопных газов во всасываемый воздух.
Всасываемый воздух, которым сначала является некоторое количество свежего воздуха, поступает через впускную линию 80. Он сжимается при помощи турбонагнетателя 82 и поступает в направлении 90 потока через охладитель 84. В сочленении 78, выхлопной газ из линии EGR 74 объединяется с потоком всасываемого воздуха. Так как выхлопной газ был пропущен через охладитель 76, а всасываемый воздух был пропущен через охладитель 84, то их плотность возрастает, что способствует поддержанию эффективности двигателя.
В варианте фиг.5В обводная линия 89 охладителя позволяет всасываемому заряду не проходить через охладитель 84, когда клапан 91 открыт.Это может быть использовано для управления сгоранием во время работы при низкой нагрузке. Повышение температуры перемешанного заряда делает условия в камере сгорания более подходящими для воспламенения и полного сгорания. В условиях низкой нагрузки повышение плотности заряда, обеспечиваемое при помощи охладителей 76 и 84, не является необходимым.
На фиг.6 показана EGR система 15В в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения. В варианте, изображенном на фиг.6, рециркулированные выхлопные газы перемешиваются со всасываемым воздухом выше по течению от впускного охладителя 108.
Выхлопной газ из всех камер сгорания в блоке 92 цилиндров двигателя поступает в выпускную линию 94. В EGR сочленении 96 линия EGR 98 соединена с выпускной линией 94. EGR клапан 100 расположен в линии EGR 98. EGR охладитель 102 расположен ниже по течению от EGR клапана 100 в линии EGR 98. Линия EGR 98 соединяется со впускной линией 104 во впускном сочленении 106. Впускная линия 104 проходит за впускным сочленением 106 через охладитель 108 всасываемого заряда. Турбонагнетатель 110 с фиксированной или переменной геометрией сжимает всасываемый воздух выше по течению от впускного сочленения 106. За охладителем 108 всасываемого заряда впускная линия 104 направляет всасываемый воздух во впускные линии (не показаны) каждой камеры сгорания блока 92 цилиндров двигателя.
На фиг.6 показаны направление 112 потока EGR, направление 114 потока выхлопных газов и направление 116 потока всасываемого воздуха.
В варианте, изображенном на фиг.6, выхлопной газ из любой из камер сгорания в блоке 92 цилиндров двигателя, направляется в выпускную линию 94. У сочленения 96 (заданное) количество выхлопного газа направляется через EGR клапан 100 и далее в линию EGR 98. Это количество выхлопного газа затем охлаждается при проходе через охладитель 102, ранее поступления во впускное сочленение 106. В сочленении 106 рециркулированное количество выхлопного газа объединяется с количеством свежего всасываемого воздуха, сжатого при помощи турбонагнетателя 110. Результирующая смесь рециркулированных выхлопных газов и свежего воздуха охлаждается при проходе через охладитель 108, ранее направления в блок 92 цилиндров двигателя и во впускные линии для каждого цилиндра. Такое построение является предпочтительным, если EGR проходит через охладитель 108. По желанию охладитель 102 может быть исключен для уменьшения числа компонентов и снижения стоимости системы. Так как EGR, полученный при газообразном сгорании с прямым впрыском, главным образом не содержит частиц, не требуются фильтры выше по течению от охладителя 108, что дополнительно уменьшает сложность и стоимость системы.
Каждая из показанных на фиг.5 и 6 систем включает в себя турбонагнетатель с фиксированной или переменной геометрией, установленный ниже по течению от EGR сочленений 71 и 96 и выше по течению от впускных сочленений 78 и 106.
На фиг.7 показана EGR система 15С в соответствии с третьим вариантом настоящего изобретения. В варианте фиг.7 рециркулированные выхлопные газы перемешиваются со свежим всасываемым воздухом выше по течению от компрессора турбонагнетателя.
Выпускная линия 130 отводит выхлопные газы из камер сгорания в блоке 131 цилиндров двигателя. Линия EGR 132 ответвляется от выпускной линии 130 в EGR сочленении 134. EGR клапан 136 и EGR охладитель 138 расположены в линии EGR 132. Линия EGR 132 соединяется со впускной линией 140 во впускном сочленении 144 выше по течению от турбонагнетателя 142 с фиксированной или переменной геометрией. Охладитель 146 всасываемого заряда установлен во впускной линии 140 ниже по течению от компрессора турбонагнетателя 142. Ниже по течению от охладителя 146 всасываемого заряда впускная линия 140 подает всасываемый воздух в каждую из камер сгорания, расположенных в блоке 131 цилиндров двигателя.
На фиг.7 показаны направление 145 потока EGR, направление 147 потока выхлопных газов и направление 148 потока всасываемого воздуха.
В варианте фиг.7 выхлопной газ из любой из камер сгорания, расположенных в блоке 131 цилиндров двигателя, направляется через выпускную линию 130. Клапан 136 направляет (некоторое) количество выхлопного газа через линию EGR 132 и через охладитель 138. Рециркулированный выхлопной газ затем вводится назад во впускную линию 140 в сочленении 144. Затем газ сжимается при помощи турбонагнетателя 142. Чрезмерное нагревание всасываемого заряда за счет ее сжатия в турбонагнетателе 142 устраняется за счет пропускания всасываемого заряда через охладитель 146, ранее введения всасываемого заряда в блок 131 цилиндров двигателя, где она направляется в соответствующие камеры сгорания.
Если EGR пропускается через охладитель 146 заряда, то охладитель 138 может быть опущен, что позволяет уменьшить сложность и снизить стоимость системы. Кроме того, турбонагнетатель 142 может быть использован для сжатия как всасываемого воздуха, так и EGR, чтобы повысить концентрацию EGR. Если турбонагнетатель расположен выше по течению от сочленения 144, что имеет место в описанных первых двух вариантах, то относительно труднее принудительно подавать EGR в сжатое количество всасываемого заряда, чем в том случае, когда всасываемый воздух еще не был сжат.В данном случае можно отказаться от использования фильтров частиц, так как использованное топливо и результирующие выхлопные газы главным образом не содержат частиц, что уменьшает сложность и снижает стоимость системы.
На фиг.8 показана EGR система 15D в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения. В варианте фиг.8 выхлопные газы объединяются для рециркуляции в точке 168 ниже по течению от турбины турбонагнетателя 164 с фиксированной или переменной геометрией. Выпускная линия 160 отводит выхлопные газы из блока 162 цилиндров двигатели и направляет их через турбонагнетатель 164 ранее соединения с линией EGR 166 в сочленении 168. EGR клапан 170 расположен в линии EGR 166. EGR охладитель 172 расположен в линии EGR 166.
Линия EGR 166 встречается со впускной линией 174 во впускном сочленении 176, выше по течению от турбонагнетателя 164. Охладитель 177 всасываемого заряда расположен во впускной линии 174 выше по течению от блока 162 цилиндров двигателя.
На фиг.8 показаны направление 178 потока EGR, направление 180 потока выхлопных газов и направление 182 потока всасываемого воздуха.
В варианте фиг.8 выхлопной газ направляют через турбонагнетатель 164, после чего клапан 170, если он открыт, позволяет рециркулировать (заданное) количество выхлопного газа через линию EGR 178. Эта конфигурация позволяет использовать весь выхлопной газ, отводимый из блока цилиндров двигателя, для привода турбонагнетателя 164, что приводит к повышению рекуперации энергии выхлопного газа. Кроме того, так как выхлопной газ расширяется и поэтому охлаждается при проходе через турбину турбонагнетателя 164, меньшее охлаждение требуется от охладителя 172 и/или от охладителя 177.
На фиг.9 показана EGR система 15Е в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения. В варианте фиг.9 используют силовую турбину 210 в выпускной линии 194, ниже по течению от турбонагнетателя 198. Линия EGR 192 соединяется с выпускной линией 194 в EGR сочленении 190. Предусмотрены EGR охладитель 200, впускное сочленение 202 и впускная линия 204. EGR клапан 208 регулирует поток выхлопных газов через линию EGR 192.
Охладитель 206 всасываемого заряда установлен ниже по течению от компрессорной секции турбонагнетателя 198 во впускной линии 204. Кроме того, в этом варианте предусмотрена силовая турбина 210.
На фиг.8 показаны направление 212 потока EGR, направление 214 потока выхлопных газов и направление 216 потока всасываемого воздуха.
Силовая турбина 210 позволяет получать дополнительную энергию после отбора выхлопного газа для EGR в сочленении 190. Силовая турбина 210 создает противодавление в сочленении 190. Это помогает направлять выхлопные газы через линию EGR 192. Силовая турбина может быть также предусмотрена и в других вариантах настоящего изобретения. Например, силовая турбина может быть введена в любой из вариантов, показанных на фиг.5А-8.
На фиг.10 показана объединенная EGR система 15F в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения. В системе 15F объединены характеристики описанных здесь выше вариантов. В варианте фиг.10 имеются два EGR сочленения 220, 222, которые соединяют дополнительную линию EGR 224 и основную линию EGR 226 с выпускной линией 228. Выпускная линия 228 отводит выхлопные газы из камер сгорания в блоке цилиндров 230 двигателя. Турбинная секция турбонагнетателя 232 расположена в выпускной линии 228 между EGR сочленениями 220 и 222. Предусмотрены EGR охладитель 232, сочленение 234 разветвления EGR, впускные сочленения 236, 238, 240, 241 и впускная линия 242. Предусмотрены также обводная линия 244 охладителя и обводная линия 246 турбонагнетателя. В системе предусмотрены клапан 248 дополнительной линии, EGR клапан 250, прямой клапан 252 EGR и клапан 254 EGR охладителя. Предусмотрены также обводной клапан 256 охладителя заряда, клапан 258 охладителя и клапаны 260, 262 турбонагнетателя. Во впускной линии 240 расположен охладитель 264 заряда. В выпускной линии 228 установлена силовая турбина 266. Показана также прямая линия 268 EGR.
EGR система (фиг.10) может быть конфигурирована для работы в соответствии с различными стратегиями EGR, за счет открывания и закрывания различных комбинаций клапанов 248, 250, 252, 254, 256, 258, 260 и 262. Таким образом, работа EGR системы может быть время от времени отрегулирована в соответствии с условиями, при которых работает двигатель 230.
Клапаны 248 и 250 направляют EGR из выпускной линии 228 в дополнительную линию 224 EGR или в основную линию 226. За счет регулировки клапанов 248 и 250 выхлопные газы могут быть отобраны (отведены) для EGR выше по течению или ниже по течению от турбины турбонагнетателя 232, или одновременно выше и ниже по течению от нее. EGR может быть отключена за счет закрывания обоих клапанов 248 и 250. Контроллер может управлять клапанами 248 и 250 в ответ на различные параметры (сигналы), в том числе поступающие от турбонагнетателя 232 или от силовой турбины 266.
Система 15F может вводить рециркулированные выхлопные газы в любой из следующих элементов или во все из них:
ниже по течению от охладителя 264 всасываемого заряда при помощи клапана 252 и прямой линии 268 EGR; выше по течению от охладителя 264 всасываемого заряда, но ниже по течению от компрессора 232 турбонагнетателя при помощи клапана 254, основной линии 226 EGR и клапана 260; или выше по течению от компрессора 232 турбонагнетателя при помощи клапана 254, основной линии 226 EGR и клапана 262.
Контроллер производит управление клапанами 252, 254, 260 и 262, так чтобы рециркулированные выхлопные газы поступали в соответствующее местоположение в зависимости от режимов работы двигателя 230.
Кроме того, в этом варианте различные клапаны могут быть использованы для создания переменного потока через любое число клапанов одновременно, чтобы произвести подстройку EGR системы в соответствии с потребностями двигателя в целом, как это предусмотрено в каждом из вариантов, показанных на фиг.5-9. Кроме того, любой альтернативный маршрут EGR или маршрут впуска могут быть исключены для снижения числа возможных вариантов функционирования, когда такие варианты имеют ограниченное значение или трудны для осуществления в данном применении. Например, меньшее число вариантов подходит для применений с ограниченным пространством. Это не относится к случаю стационарных силовых установок.
Кроме того, желательно обеспечить большую гибкость конфигурации EGR системы, если характеристики двигателя подвержены постоянным изменениям, то есть когда часто встречаются переходные (неустановившиеся) режимы. В таких применениях (малое) время реакции на переходные режимы может быть обеспечено за счет использования различных EGR конфигураций, с учетом взаимозависимости между уровнем EGR, эффективностью сгорания и управлением турбонагнетателем.
Следует иметь в виду, что могут потребоваться дополнительные компоненты внутри EGR маршрута в вариантах, показанных на фиг.5-10. То есть в зависимости от вида применения и специфических использованных компонентов могут существовать значительные разности давлений и температур на компонентах системы, что может потребовать использования дополнительного оборудования для нагнетания или трубок Вентури для направления потока через различные сочленения, предусмотренные в рассмотренных вариантах. В качестве примера можно указать, что в варианте (фиг.6) может потребоваться введение трубки Вентури или насоса для принудительной рециркуляции выхлопных газов из линии EGR 98 через сочленение 106, для перемешивания со всасываемым воздухом, введенным во впускную линию 104, ранее турбонагнетателя 110. То есть может существовать разность давлений между линией EGR 98 выше по течению от охладителя 102 и впускной линией 104 после турбонагнетателя 110, ранее (до) сочленения. Аналогично при эксплуатации EGR системы, показанной на фиг.10, может потребоваться введение трубки Вентури или насоса там, где это необходимо, для направления потока через любое из сочленений 220, 222, 234, 236, 238, 240 и 241. И в этом случае, в качестве примера можно указать, что может быть желательно отобрать некоторый процент всего EGR из выхлопного газа ранее турбонагнетателя 232 и некоторый процент после турбонагнетателя 232, в соответствующих сочленениях 220 и 222, после чего потребуется произвести перемешивание в системах, что легко поймут специалисты. При этом давление выхлопного газа в сочленении 222 преимущественно должно быть меньше, чем давление в сочленении 220, с учетом того, что турбонагнетатель 232, расположенный между сочленениями, производит расширение проходящего через него выхлопного газа. Поэтому следует поддерживать указанную разность давлений, чтобы обеспечивать перемешивание потоков.
В том случае, когда EGR вводят через охладители или турбонагнетатели в любом из ранее описанных вариантов, обычно не требуется производить фильтрацию твердых частиц в потоке EGR, так как газообразное топливо при сгорании создает мало твердых частиц. За счет этого обеспечивается большая гибкость использования EGR по сравнению с эквивалентными вариантами на дизельном топливе. Как уже было упомянуто здесь ранее, возможность отбора EGR потока из выхлопного газа после турбины, до компрессора и до основных охладителей во впускной линии или до EGR охладителя в линии EGR, без удаления или практически без удаления частиц, может быть предпочтительной. Кроме того, может быть использована комбинация указанных систем для содействия адаптации EGR системы к стратегии сгорания, использованной в камере сгорания. Такая гибкость без использования фильтров частиц обычно отсутствует в двигателях на дизельном топливе с воспламенением сжатием, так как частицы во впускной линии почти всегда создают проблемы.
В некоторых применениях может быть использован окисляющий катализатор для снижения концентрации летучих соединений в выхлопном газе, за счет чего можно избежать образования вязких отложений в EGR системе и во впускной системе.
В вариантах, показанных на фиг.5-10, охладитель 76, 102, 138 и 172 предусмотрен в линии EGR 74. Однако этот охладитель может быть исключен, так как охлаждение потока EGR может быть осуществлено непосредственно, за счет его пропускания через охладители 108, 146 и 177, или опосредованно, за счет перемешивания потока EGR с некоторым количеством всасываемого воздуха.
На фиг.11A-11F показан еще один вариант настоящего изобретения. На фиг.11A показана камера сгорания 300 с поршнем 302, который движется в направлении стрелки 304. Показан впускной клапан 306 и всасываемый воздух 308, который протекает через впускную линию 309. На фиг.11В показан поршень 302, который движется в направлении стрелки 310. Показаны газообразное топливо 312 и инжектор 314. На фиг.11С показан поршень 302, который движется в направлении стрелки 315. Показан выхлопной газ 316 в камере сгорания 300. На фиг.11D показан поршень 302, который движется в направлении стрелки 318. Показан выхлопной газ 316, а также выпускной клапан 320 и выпускная линия 322. На фиг.11Е показан выхлопной газ в камере сгорания 300, в то время как поршень 302 движется в направлении стрелки 324. Наконец, на фиг.11F показан поршень 302, который движется в направлении стрелки 326.
На фиг.11 показано использование внутренней системы EGR, причем прямой впрыск газообразного топлива используют для приведения в движение поршня. На фиг.11А показан начальный такт впуска, где поршень 302, который движется в направлении стрелки 304, втягивает всасываемый воздух 308 через впускной клапан 306 в камеру сгорания 300.
После завершения такта впуска начинается такт сжатия, в котором, как это показано на фиг.11В, поршень 302, который движется в направлении стрелки 310, сжимает всасываемый воздух. В момент, близкий к завершению такта впуска, газообразное топливо 312 впрыскивают в камеру сгорания 300. Это также может происходить в момент завершения такта сжатия или при начале рабочего такта. Газообразное топливо 312 затем воспламеняется и толкает поршень в направлении стрелки 315 (см. фиг.11С). После завершения сгорания газообразного топлива выхлопной газ 316 остается в камере сгорания 300.
После рабочего такта начинается такт выпуска, в котором поршень 302 движется в направлении стрелки 318 и выпускной клапан 320 открыт (см. фиг.11D). Некоторое количество выхлопного газа 316 выходит из камеры сгорания 300 и поступает в выпускную линию 322. Однако в обсуждаемом варианте выпускной клапан 320 закрывается ранее завершения такта выпуска, в то время как поршень 302 все еще движется в направлении стрелки 324 (см. фиг.11Е). При этом некоторое количество выхлопного газа 316 остается захваченным в камере сгорания 300.
На фиг.11F показано, что последующей такт впуска начинается, когда поршень 302 движется в направлении стрелки 326. Однако в течение некоторого времени в начале такта впуска впускной клапан 306 закрыт.Обратимся вновь к рассмотрению фиг.11А, на которой показано, что последующей такт впуска продолжается, когда впускной клапан 306 открывается и пропускает всасываемый воздух 308 в камеру сгорания. Обычно, во время этого такта впуска, впускной клапан закрыт на промежуток времени, который может быть определен в зависимости от количества выхлопного газа, оставшегося в камере сгорания во время такта выпуска. Таким образом, желательный заряд определяют суммированием начального выхлопного газа, оставшегося в камере сгорания после завершения такта выпуска, с добавляемым воздухом, требующимся для получения полного заряда.
Следует иметь в виду, что так как соответствующие клапаны закрыты в течение некоторого периода во время тактов впуска и выпуска, то это позволяет обеспечить необходимые требования для внутренней системы EGR. Эти клапаны не обязательно открываются или закрываются при начале такта впуска и при завершении такта выпуска, как это показано в варианте в соответствии с фиг.11А-11F.
В большинстве дизельных двигателей полагаются на движение заряда (например, за счет вихрей или хлюпанья (squish)), возникающее за счет процесса впуска и содействующее перемешиванию дизельного топлива с зарядом воздуха и продуктами сгорания, во время процесса горения. Первичной причиной этого является контроль твердых частиц. Так как проблема твердых частиц не является существенной для работающего на газообразном топливе двигателя, управление движением заряда, возникающим в процессе впуска, не является первостепенной задачей. Процесс внутренней EGR, описанный со ссылкой на фиг.11А-11F, позволяет получать различное движение воздуха в зависимости от степени EGR. Когда используют высокую степень EGR, меньший заряд вводится в цилиндр через впускной клапан 306 и возникает меньшее движение заряда. Соответственно, когда используют более низкую степень EGR, возникает большее движение заряда. В двигателе на дизельном топливе требуется управление движением заряда, так как выбросы частиц зависит от изменений движения заряда при изменении степени EGR. Большая гибкость обеспечивается в работающем на газообразном топливе двигателе, в котором не требуется такая высокая степень движения воздуха. Обычно двигатель с прямым впрыском газообразного топлива может обеспечивать более высокие уровни внутренней EGR, чем двигатель на дизельном топливе. Так как за счет использования внутренней системы EGR создается мало твердых частиц, не возникают проблемы, связанные с переменным движением заряда в камере сгорания. Несмотря на то, что могут быть использованы фильтры частиц для снижения выбросов частиц из выхлопной трубы, частицы, возникающие во время сгорания, следует контролировать, чтобы избежать преждевременного износа двигателя, загрязнения масла (что приводит к высокой частоте смены масла) и высокой загрузки фильтра частиц (что снижает эффективность фильтра за счет противодавления или чрезмерной частоты принудительной регенерации).
Обычно используют гибкие стратегии EGR при прямом впрыске газообразного топлива. Так как момент времени впрыскивания можно изменять в зависимости от всасываемого заряда, это позволяет управлять уровнями EGR. В этом контексте, могут быть использованы стратегии с множеством впрысков и, следовательно, с множеством моментов начала впрыскивания во время каждого цикла. Кроме того, можно изменять длительность впрыскивания для содействия адаптации эффективности сгорания к использованным уровням EGR, в соответствии с режимами работы двигателя. Как правило, очень короткие длительности впрыскивания позволяют получать быстрое выделение теплоты и, следовательно, обеспечивать более низкую температуру выхлопных газов, направляемых в выпускную линию, в любом из вариантов, которые обсуждались здесь выше. Кроме того, длительность впрыскивания и, следовательно, выделение теплоты, могут быть растянуты. Это позволяет при необходимости получать более горячий выхлопной газ. Форма импульса впрыскивания определяется изменением длительности впрыскивания одного и того же количества топлива. Эта стратегия адаптации EGR для задач настоящего изобретения может быть использована в том случае, когда предусматривают изменения длительности впрыскивания для выбора уровней EGR в различных режимах работы двигателя. Длительность впрыскивания и привязка по времени (момента впрыскивания) представляют собой две переменные, которые позволяют обеспечить необходимые условия сгорания при различных возможных состояниях заряда. Это позволяет контроллеру адаптировать уровни EGR к различным применениям двигателя и переходным режимам, чтобы поддерживать высокую эффективность сгорания.
В описанных выше вариантах управление уровнями EGR для работающего на газообразном топливе двигателя внутреннего сгорания не осложняется стратегиями обработки частиц.
В качестве примера можно указать, что уровни EGR, допустимые для прямого впрыска природного газа, могут доходить до 70%, в зависимости от рабочих параметров двигателя и допустимого уровня выбросов. Таким образом, до 70% всасываемого заряда может создавать EGR.
В этом описании и в приложенной формуле изобретения точкой "вблизи от верхней мертвой точки" может быть любая точка, в которой поршень находится в пределах 30 градусов от верхней мертвой точки, измеренных как угол поворота коленчатого вала.
На фиг.12 и 13 показаны диаграммы логики управления, в соответствии с которыми может быть запрограммирован электронный блок управления (ECU) для осуществления системы EGR в соответствии с настоящим изобретением. Блок ECU используют для управления работающим на газообразном топливе двигателем, в котором предварительный заряд используют для содействия воспламенению газообразного топлива. Однако специалисты легко поймут, что воспламенение с использованием горячей поверхности и другие стратегии воспламенения могут быть использованы совместно со стратегиями управления EGR.
Как правило, блок ECU в соответствии с настоящим изобретением позволяет задавать уровень EGR на основании, среди прочего, порога, который равен максимально допустимым уровням выбросов двигателя. В случае стратегии сгорания газообразного топлива с прямым впрыском под высоким давлением пределы выбросов зависят от
концентрации СО;
концентрации углеводородов или
комбинации двух или трех из СО, углеводородов и частиц.
Следовательно, необходимо контролировать эти уровни выбросов и подстраивать EGR в соответствии с требованиями двигателя и указанными уровнями выбросов.
D
r
t
p
g
max
max
max
r
r
r
max
r
r
В блоке ECU, в вариантах, показанных на фиг.12 и 13, используют ряд входных параметров, в том числе положение дроссельной заслонки, скорость (вращения) двигателя, температуру на входе коллектора, давление и расход EGR, газовое давление, а также расчетные или непосредственно измеренные данные о выбросах (E). Эти входные параметры используют для определения, среди прочего, следующих параметров управления: желательной скорости впрыскивания топлива (FQ), количества топлива (F), количества предварительного топлива (F) и количества газообразного топлива (F). Затем определяют давления предварительного и газообразного топлива, моменты и длительности впрыскивания, которые используют, совместно с параметрами двигателя, для определения предела выбросов (Е). Затем используют Е для определения максимального уровня EGR (EGR) для данных рабочих параметров и выбранной топливной стратегии. Этот максимальный уровень в свою очередь используют для задания степени EGR (EGR) и скорости потока заряда (С), а также объединенного входного потока (I=EGR+С), который является основой для определения степени EGR, которая служит рабочим параметром для последующих рабочих циклов.
fr
На фиг.13 показан случай, когда стратегии EGR предусматривают не только подстройку расходов и количества (топлива), как это показано, например, в варианте на фиг.10, а и дополнительно учитывают маршрут потока EGR (EGR).
max
max
Обычно сначала задают расход топлива таким образом, чтобы обеспечить желательную скорость и нагрузку (двигателя). Затем используют получаемые при этом рабочие параметры, как это показано на фиг.12 и 13, для задания моментов впрыскивания предварительного и основного топлива, а также для задания давления и длительности впрыска. Эти желательные параметры используют для выработки действительной стратегии впрыскивания предварительного и основного топлива, которую, в свою очередь, используют в блоке управления ECU, который учитывает рабочие параметры двигателя для определения Е при данных рабочих режимах двигателя. Е представляет собой одну величину или комбинацию следующих величин:
концентрация СО;
концентрация углеводородов (НС);
концентрация СО плюс концентрация НС;
концентрация СО плюс концентрация частиц;
концентрация НС плюс концентрация частиц и
концентрация СО плюс концентрация НС плюс концентрация частиц.
max
max
max
max
r
max
max
D
r
D
r
max
Затем используют Е при данных рабочих параметрах двигателя для определения EGR, то есть для нахождения рабочей точки (уставки для уровня EGR) для данного рабочего режима. Значение в рабочей точке должно быть ориентировочно равно измеренному или расчетному уровню EGR для использованных рабочих параметров, позволяющих получить измеренный или расчетный уровень Е. Значение в рабочей точке затем используют для управления степенью EGR, которая должна быть равна или меньше значения в рабочей точке EGR. Значение в рабочей точке находят по результатам стендовых испытаний или из справочных таблиц для данного Е, получаемого при наборе режимов эксплуатации. Основой для этого служат данные E, полученные для заданного EGR. Несмотря на то, что данные E, полученные для данного EGR при данных рабочих режимах, могут быть получены и запрограммированы в ECU, они также могут быть непосредственно измерены или вычислены во время работы, чтобы получить EGR. Непосредственно измеренный или расчетный уровень должен коррелировать с выбросами, вычисляемыми при помощи ECU.
max
r
D
max
r
Аналогично, после определения Е для заданного набора эксплуатационных параметров, можно произвести подстройку EGR путем сравнения концентрации выбросов с данными E, и если эта концентрация превышает Е, то снизить EGR до уровня, позволяющего получить приемлемые выбросы. И в этом случае представляющие интерес выбросы включают в себя следующие величины:
концентрация СО;
концентрация углеводородов (НС);
концентрация СО плюс концентрация НС;
концентрация СО плюс концентрация частиц;
концентрация НС плюс концентрация частиц и
концентрация СО плюс концентрация НС плюс концентрация частиц.
В то время как блок ECU определяет предельный уровень выбросов (на основании СО и НС), что позволяет управлять уровнями EGR, так как величинами СО и НС относительно легко управлять, могут быть встроены системы дополнительной обработки, допускающие наличие относительно высоких концентраций газов СО и НС, выходящих из камеры сгорания. В случае такой дополнительной обработки СО и НС максимальные уровни EGR могут быть установлены (заданы) из соображений стабильности горения. Известные технологии обеспечения стабильности горения, такие как текущий контроль коэффициента вариации (COV), могут быть использованы в сочетании с такими системами дополнительной обработки для установки максимальных уровней EGR.
r
Может присутствовать компонент с разомкнутой петлей в стратегии подачи топлива, когда EGR используют в качестве одного из рабочих параметров, для содействия определению топливных стратегий.
fr
r
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.13, на которой показано, что EGR первоначально определяют на основании параметров двигателя, таких как, например, условия нагрузки, скорость двигателя и условия окружающей среды. После того, как произведен выбор маршрута потока, блок ECU приступает к определению, в соответствии с указанным выше, топливной стратегии и EGR, причем дополнительные операции следуют той же самой логике, что и для варианта, показанного на фиг.12.
Как уже было упомянуто здесь ранее, в блоке ECU используют рабочие параметры для управления уровнями EGR, в том числе и максимальными уровнями EGR, которые могут быть основаны на использовании или непосредственно получены из
справочных таблиц;
результатов стендовых испытаний;
математических моделей, в которых используют один из рабочих параметров двигателя или
прямого измерения.
r
r
t
r
Как уже было упомянуто здесь ранее, необходимо контролировать EGR и, следовательно, I, чтобы параметр F отвечал запросам оператора. Однако, как уже было упомянуто здесь ранее, одним из основных соображений, ограничивающих и, следовательно, помогающих определить Е, являются выбросы, полученные в обсуждавшихся здесь процессах горения. Когда используют природный газ, при прямом впрыске, в зависимости от использованных решений последующей обработки, СО и НС выбросы будут ограничивать уровни EGR или концентрации выхлопного газа во впускной линии. В качестве примера можно указать, что максимальный уровень EGR может быть задан, частично, при помощи справочной таблицы или по результатам предыдущих стендовых испытаний, таким образом, что он коррелирует с данным уровнем EGR при различных рабочих режимах, позволяющем получить максимально допустимую концентрацию выбросов в выхлопном газе. Такие справочные таблицы или результаты стендовых испытаний позволяют определять максимальный уровень EGR для данного набора эксплуатационных параметров и гарантируют, что уровни EGR, вводимые по запросу оператора, не будут превышать максимума, найденного при помощи соответствующих справочных таблиц, или будут подстроены в соответствии с допустимыми уровнями выбросов.
В качестве примера можно указать, что уровень СО, составляющий 3800 промиле (частей на миллион), является типичным верхним уровнем выбросов СО для грузовиков в большинстве режимов нагрузки. Однако это только один пример. В действительности пределы выбросов могут также варьировать в зависимости от изменения режимов нагрузки, как это отмечено в обсуждавшемся выше варианте для ECU.
Кроме того, как уже было упомянуто здесь ранее, выбросы в выхлопной трубе могут быть измерены непосредственно, а максимальный уровень EGR может быть задан на основании начального уровня EGR или уровней, использованных и усредненных ранее измерения выбросов. Если находят, что уровень выбросов выходит за пределы диапазона, дающего максимальную концентрацию выбросов, то максимальный уровень EGR при необходимости может быть снижен до значения, не выходящего за рамки диапазона выбросов. Затем определяют рабочую точку для этого рабочего режима двигателя. Вновь выбросы рассматривают с учетом СО или НС выбросов, полученных во время сгорания, так как эти выбросы сильнее всего увеличивают уровни EGR при использовании настоящего изобретения.
Тот же самый механизм управления используют в случае внутренней системы EGR, в которой выпускной клапан закрывают с учетом удержания желательного количества выхлопного газа. Однако блок ECU в данном случае позволяет изменять моменты срабатывания выпускного клапана и впускного клапана, причем максимальный уровень EGR задают с учетом приведенных выше соображений относительно выбросов.
Как правило, дополнительные стратегии управления, применяемые вне рассмотренных выше вариантов, должны ограничивать уровни EGR на основании уровня максимальных выбросов СО и/или НС и коэффициента ограничения степени EGR.
В то время как рассмотренные выше варианты относятся к четырехтактному двигателю, следует иметь в виду, что эти варианты могут быть адаптированы к двухтактным двигателям. При этом в двухтактных вариантах блок ECU должен учитывать количество дополнительного выхлопного газа, остающегося в камере сгорания между циклами, для определения желательного уровня EGR. Применимы также и другие стратегии, отличающиеся от обсуждавшихся здесь выше.
Несмотря на то, что здесь в качестве топлива главным образом обсуждался природный газ, могут быть применены и другие виды газообразного топлива, позволяющие использовать преимущества настоящего изобретения, при условии, что такие виды топлива не создают выбросы в виде частиц, в отличие от дизельного топлива. В качестве примера можно указать, что также могут быть использованы водород и газообразные углеводороды, такие как пропан и метан. Кроме того, может быть использовано газообразное топливо (например, метан), перемешанное с топливными добавками, улучшающими характеристики воспламенения и сгорания.
Несмотря на то, что были описаны конкретные элементы, варианты и виды применения настоящего изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, особенно в свете приведенных здесь выше указаний, которые не выходят за рамки формулы изобретения.