ТОПЛИВНЫЙ КЛАПАН И СПОСОБ ВПРЫСКА ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ БОЛЬШОГО ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ТУРБОНАДДУВОМ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ
FUEL VALVE AND METHOD OF INJECTING GASEOUS FUEL INTO COMBUSTION CHAMBER OF LARGE TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH TURBOCHARGING WITH COMPRESSION IGNITION

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к топливному клапану для впрыска топлива в камеру сгорания большого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия с турбонаддувом с системой подачи топлива, работающей на газе, а также к способу впрыска газа в камеру сгорания большого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Большие низкоскоростные двухтактные двигатели с воспламенением от сжатия крейцкопфного типа обычно используются в двигательных установках больших судов или в качестве первичного двигателя на силовых установках. Очень часто эти двигатели работают на мазуте или котельном топливе.
В последнее время существует потребность в больших двухтактных дизельных двигателях, способных работать с альтернативными типами топлива, такими как газ, топливно-водяная смесь, нефтяной кокс и т.п.
Газообразное топливо, такое как природный газ, является относительно чистым топливом, что обусловливает значительно более низкие уровни сернистых компонентов, NOx и СO2 в выхлопном газе при использовании в качестве топлива для большого низкоскоростного двухтактного двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом, по сравнению, например, с использованием мазута в качестве топлива.
Однако существуют и проблемы, связанные с использованием газообразного топлива в большом низкоскоростном двухтактном двигателе внутреннего сгорания с турбонаддувом. Одной из этих проблем является предсказуемость и готовность газа воспламеняться от сжатия при впрыске в камеру сгорания, и оба этих фактора необходимо контролировать в двигателе с воспламенением от сжатия. Поэтому в существующих низкоскоростных двухтактных двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом используют пилотный впрыск топлива или другой запальной жидкости с одновременной инжекцией газообразного топлива для обеспечения надежного и своевременного зажигания газообразного топлива. Подобная проблема присуща и другим трудновоспламеняемым видам топлива, таким как топливно-водяные смеси.
Большие низкоскоростные двухтактные двигатели внутреннего сгорания с турбонаддувом обычно используются для приведения в движение больших океанских грузовых судов, и поэтому надежность имеет первостепенную важность. Использование газообразного топлива в этих двигателях все еще является относительно недавней разработкой, а надежность работы с газом еще не достигла уровня традиционного топлива. Поэтому все существующие большие низкоскоростные двухтактные дизельные двигатели являются двухтопливными двигателями с топливной системой, работающей на газообразном топливе и топливной системой, работающей на мазуте, так что они могут работать на полную мощность, работая только на мазуте.
Из-за большого диаметра камер сгорания этих двигателей, они, как правило, снабжены тремя клапанами впрыска топлива на каждый цилиндр, расположннными под углом около 120° вокруг центрального выпускного клапана. Таким образом, двойная топливная система предусматривает три топливных клапана газообразного топлива на каждый цилиндр и три клапана мазутного топлива на каждый цилиндр, при этом один клапан инжекции мазута располагается в непосредственной близости к соответствующему клапану инжекции газа для обеспечения надежного воспламенения газообразного топлива и, потому на верхней крышке цилиндра имеет место достаточно высокая скученность.
В существующих двухтопливных двигателях клапаны мазута используются для обеспечения пилотного впрыска топлива при работе на газообразном топливе. Размеры этих клапанов мазута имеют такие размеры, чтобы обеспечить возможность подачи мазута в количестве, необходимом для работы двигателя при полной нагрузке только на мазуте. Однако, для достижения желаемого снижения выбросов выхлопных газов, количество впрыскиваемого мазута при пилотном впрыске необходимо свести к минимуму. Дозировка такого малого количества посредством полноразмерной системы впрыска топлива, которая может подавать также большое количество, необходимое для работы при полной нагрузке, создает значительные технические проблемы, и очень трудно достигается на практике, и поэтому дозировка топлива при каждом пилотном впрыскев существующих двигателях превосходит желаемое количество, особенно при средней и низкой нагрузке. Применение альтернативной дополнительной малой инжекционной системы, способной осуществлять впрыск малых пилотных доз, ведетр к значительному усложнению и удорожанию. Кроме того, дополнительные малые клапаны для впрыска пилотных доз топлива приведут еще к большей скученности на верхней крышкеу цилиндра.
В общем случае, использование отдельного пилотного впрыска запальной жидкости является нежелательным по нескольким причинам. Как оказалос, весьма трудно добиться надежной работы инжектора а режиме ниже 3% от максимально длительной допустимой нагрузки (MCR). Во-вторых, любое внешнее воспламенение вне цилиндра потребует, по меньшей мере, минимального количества топлива, при этом долгосрочное функционирование пилотного впрыска еще не было верифицировано. Ожидается, что изношенные топливные насосы могут ухудшить функционирование пилотного впрыска. Кроме того, ожидается, что быстродействие пилотного впрыска может вызвать повышенный износ топливной системы.
В WO 2015/062607 раскрыт топливный клапан, в котором запальная жидкость может просачиваться через зазор между иглой клапана и продольным каналом, в котором размещена игла клапана, так что небольшое количество запальной жидкости накапливается в топливной камере непосредственно над седлом и впрыскивается с газообразным топливом в случае подъема иглы клапана. Впрыскиваемая жидкость поступает в основное отверстие сопла вместе с газообразным топливом к месту воспламенения внутри экранированной среды сопла. Системе достаточно гораздо меньшего количества запальной жидкости по сравнению с использованием отдельного пилотного клапана, который впрыскивает запальную жидкость в камеру сгорания. Однако количество запальной жидкости, просачивающейся в топливную камеру, в значительной степени зависит от фактического зазора шпинделя, который может варьироваться в зависимости от производственных допусков и износа. Кроме того, таким образом, возможно подавать только малые количества запальной жидкости, и не существует способа контроля расхода топлива. Наконец, не существует способа изменения типа запального вещества, так как оно также должно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к уплотнительному маслу относительно газа и гидравлической жидкости.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Исходя из этого, целью данной заявки является создание топливного клапана для двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, который решает или, по крайней мере, снижает остроту проблем, указанных выше.
Эта задача соответствует первому аспекту, достигнутому посредством использования топливного клапана для впрыска газообразного топлива в камеру сгорания большого двухтактного низкоскоростного двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом и воспламенением от сжатия, причем указанный топливный клапан содержит: удлиненный корпус клапана с тыльным торцом и передним торцом, сопло, содержащее удлиненный корпус сопла, проходящий от основания до закрытого наконечника, основное отверстие, проходящее от основания до указанного закрытого наконечника, и множество отверстий сопла, соединенных с указанным основным отверстием, причем указанное сопло расположено на указанном переднем торце удлиненного корпуса клапана, при этом указанное основание соединено с указанным передним торцом, топливовпускным отверстием в указанном удлиненном корпусе клапана для соединения с источником газообразного топлива под давлением, аксиально подвижную иглу клапана, установленную с возможностью скольжения в продольном канале в удлиненном корпусе клапана с зазором между указанной иглой клапана и указанным продольным каналом, причем указанная аксиально подвижная игла клапана имеет закрытое положение и открытое положение, при этом аксиально подвижная игла клапана опирается на седло в указанном закрытом положении, и указанная аксиально подвижная игла клапана поднимается от указанного седла в указанном открытом положении, приводную систему для управляемого перемещения указанной аксиально подвижной иглы клапана между указанным закрытым положением и указанным открытым положением, причем указанное седло расположено в указанном удлиненном корпусе клапана между топливной камерой в указанном корпусе клапана и выходным отверстием в указанном переднем торце удлиненного корпуса клапана, причем указанное выпускное отверстие присоединено непосредственно к указанному основному каналу в указанном сопле, при этом указанная топливная камера присоединена к указанному топливовпускному отверстию, а указанный просвет зазора на одном конце указанного продольного канала присоединяется к указанной топливной камере, впускное отверстие для уплотнительного масла используется для соединения с источником уплотняющей жидкости под давлением, канал подачи уплотнительного масла, соединяющий указанное впускное отверстие для уплотнительного масла с указанным зазором в первом положении по длине продольного канала, впускное отверстие для запальной жидкости для присоединения к источнику запальной жидкости под давлением, и канал для запальной жидкости, проходящий от указанного впускного отверстия для запальной жидкости через удлиненный корпус клапана к указанному седлу или к указанному зазору во втором положении по длине указанного осевого отверстия, которое ближе к указанной топливной камере, чем указанное первое положение.
Преимущество подачи запальной жидкости внутрь сопла клапана инжекции топлива, которое впрыскивает газообразное или трудновоспламеняющееся топливо, заключается в том, что двигатель может работать, не используя внешнего пилотного впрыска топлива через отдельный пилотный клапан. В этом случае воспламенение происходит внутри сопла топливного клапана, которое впрыскивает газообразное или трудновоспламеняющееся топливо.
Запальная жидкость воспламеняется внутри камеры в сопле, где первичное пламя защищено от попадания в камеру сгорания, что обеспечивает большую вероятность воспламенения газа, который подается непосредственно в момент впрыска. Это позволяет значительно снизить потребление запальной жидкости. Испытания показали, что возможны уровни существенно ниже 1% от максимально длительной допустимой нагрузки (MCR).
Посредством обеспечения независимой подачи запальной жидкости, отдельно от, например, системы уплотнительного масла, дозировка запальной жидкости может регулироваться более точно и надежно, а тип запальной жидкости может быть легко изменен. Полный контроль количества запальной жидкости достигается за счет варьирования входных зазоров и давления подачи, без ущерба для действия системы уплотнительного масла. Запальная жидкость больше не ограничена маслом системны. Например, можно использовать более легковоспламеняющиеся жидкости, такие как дизельное топливо.
В соответствии с первым возможным вариантом реализации первого аспекта изобретения, указанный канал для подачи запальной жидкости к указанному седлу закрыт иглой клапана, если игла клапана опирается на указанное гнездо.
В соответствии со вторым возможным вариантом реализации первого аспекта изобретения, аксиально подвижная игла клапана функционально соединена с аксиально перемещаемым приводным поршнем, который установлен в корпусе с возможностью скольжения и образует вместе с указанным корпусом приводную камеру, причем указанная приводная камера гидравлически соединена с управляющим отверстием для присоединения к источнику управляющего масла.
В соответствии с третьим возможным вариантом реализации первого аспекта изобретения, указанное основное отверстие открывается в направлении указанного основания.
В соответствии с четвертым возможным вариантом реализации первого аспекта изобретения, указанный источник запальной жидкости имеет давление, которое выше, чем давление указанного источника газообразного топлива.
В соответствии с пятым возможным вариантом реализации первого аспекта изобретения, указанный канал подачи уплотнительного масла проходит в продольном направлении относительно указанной аксиально подвижной иглы клапана с целью гидравлического соединения указанного впускного отверстия для запальной жидкости с указанным зазором.
В соответствии с шестым возможным вариантом реализации первого аспекта изобретения, указанная аксиально подвижная игла клапана выдвигается из указанного продольного отверстия в указанную топливную камеру таким образом, что топливная камера окружает часть аксиально подвижной иглы клапана.
В соответствии со вторым аспектом, предлагается большой двухтактный двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом с воспламенением от сжатия с множеством цилиндров, системой подачи газообразного топлива под высоким давлением, системой подачи запальной жидкости под высоким давлением, системой уплотнительного масла высокого давления, одним или более топливных клапанов в соответствии с любым из возможных вариантов реализации первого аспекта, предусмотренных в цилиндрах двигателя, при этом указанные топливные клапаны присоединены к указанной системе подачи газообразного топлива высокого давления, к указанной системе уплотнительного масла высокого давления и к системе подачи запальной жидкости.
В соответствии с первым возможным вариантом реализации второго аспекта изобретения, указанный двигатель выполнен с возможностью воспламенения от сжатия газообразного топлива с помощью запальной жидкости, скапливающейся в упомянутой топливной камере, и без использования другого оборудования для воспламенения.
В соответствии со вторым возможным вариантом реализации второго аспекта изобретения, указанный двигатель выполнен с возможностью воспламенения указанного газообразного топлива при поступлении топливно-водяной смеси в основное отверстие внутри сопла.
В соответствии с третьим возможным вариантом реализации второго аспекта изобретения, указанная система газообразного топлива под давлением подает указанное газообразное топливо под высоким давлением в указанные топливные клапаны, и при этом указанный источник запальной жидкости выполнен с возможностью подачи указанной запальной жидкости при давлении, которое выше, чем давление указанного источника газообразного топлива.
В соответствии с четвертым возможным вариантом реализации второго аспекта изобретения, источник уплотнительного масла выполнен с возможностью подачи указанного уплотнительного масла под давлением, которое выше, чем давление указанного источника газообразного топлива, и предпочтительно выше указанного источника запальной жидкости.
Дополнительные объекты, признаки, преимущества и свойства клапана для газообразного топлива, двигателя и способа в соответствии с данным раскрытием станут очевидными из подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
В последующей детальной части данного описания, данное изобретение будет объяснено более подробно со ссылкой на примерные варианты реализации изобретения, показанные на графических материалах, на которых:
На Фиг. 1 изображен вид спереди большого двухтактного дизельного двигателя согласно иллюстративного варианта реализации изобретения,
На Фиг. 2 изображен вид сбоку большого двухтактного двигателя, показанного на Фиг. 1,
На Фиг. 3 представлено схематическое изображение большого двухтактного двигателя, показанного на Фиг. 1, и
На Фиг. 4 изображен вид в разрезе схематического изображения типового варианта реализации системы газообразного топлива двигателя, показанного на Фиг. 1 в верхней части цилиндра,
На Фиг. 5 изображен вид сверху схематического изображения цилиндра и системы инжекции газообразного топлива в соответствии с вариантом реализации, показанном на Фиг. 4, и
На Фиг. 6 изображен вид в разрезе клапана инжекции газообразного топлива для использования в двигателе, показанном на Фиг. 1, в соответствии с типовым вариантом реализации изобретения;
На Фиг. 7 изображен детальный вид разреза на Фиг. 6,
На Фиг. 8 изображен детальный вид разреза сопла, прикрепленного к переднему торцу клапана инжекции топлива, показанного на Фиг. 6,
На Фиг. 8а изображена деталь в области иглы клапана и седла клапана инжекции топлива в соответствии с первым вариантом реализации изобретения на Фиг. 6,
На Фиг. 8b изображена деталь в области иглы клапана и седла клапана инжекции топлива в соответствии со вторым примером реализации изобретения,
На Фиг. 8с изображена деталь в области иглы клапана и седла клапана инжекции топлива в соответствии с третьим типовым вариантом реализации изобретения,
На Фиг. 9 изображен вид сверху топливного клапана на Фиг. 6;
и на Фиг. 10 изображен вид в разрезе сопла для использования с топливным клапаном на Фиг. 6-9, изображающем топливный клапан, установленный в крышке цилиндра.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последующем подробном описании двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия будет описан со ссылкой на большой двухтактный низкоскоростной (дизельный) двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом в примерах реализации изобретения.
На Фиг. 1, 2 и 3 представлены изображения большого низкоскоростного двухтактного дизельного двигателя с турбонаддувом с коленчатым валом 42 и траверсами 43. На Фиг. 3 представлено схематическое изображение большого низкоскоростного двухтактного дизельного двигателя с турбонаддувом с системами забора воздуха для горения и выхлопа газов. В этом типовом варианте реализации изобретения двигатель имеет четыре цилиндра 1, расположенные в один ряд. Большие низкоскоростные двухтактные дизельные двигатели с турбонаддувом обычно имеют от четырех до четырнадцати цилиндров, выстроенных в один ряд, установленных на раме крепления двигателя 13. Данный двигатель может быть использован, например, в качестве основного двигателя на океанском судне или в качестве стационарного двигателя для работы генератора на электростанции. Общая выходная мощность двигателя может составлять, например, от 1000 до 110000 кВт.
Двигатель в типовом варианте реализации изобретения представляет собой дизельный двигатель двухтактного прямоточного типа с продувочными каналами в нижней части цилиндров 1 и центральным выпускным клапаном 4 в верхней части цилиндров 1. Продувочный воздух проходит от ресивера продувочного воздуха 2 к продувочным каналам (не показаны), отдельных цилиндров 1. Поршень 41 в цилиндре 1 сжимает продувочный воздух, топливо впрыскивается из клапанных инжекторов в крышке цилиндра, происходит сгорание, и вырабатывается выхлопной газ. Когда выпускной клапан 4 открыт, выхлопные газы проходят через выпускной канал, связанный с цилиндром 1, в приемник выхлопных газов 3 и далее через первый выпускной канал 18 к турбине 6 турбонагнетателя 5, из которого выхлопной газ отводится через второй выпускной канал и через экономайзер 28 к выпускному отверстию 29 и далее в атмосферу.
Посредством вала турбина 6 приводит в действие компрессор 9, снабжаемый наружным воздухом через впускное отверстие для воздуха 10. Компрессор 9 подает сжатый продувочный воздух в канал продувочного воздуха 11, ведущий к ресиверу продувочного воздуха 2.
Продувочный воздух в канале 11 проходит через промежуточный охладитель 12 для охлаждения продувочного воздуха, выходящего из компрессора при около 200°С, до температуры между 36 и 80°С.
Охлажденный продувочный воздух проходит через вспомогательный вентилятор 16, приводимый в действие электродвигателем 17, который создает давление в потоке продувочного воздуха, если компрессор 9 турбонагнетателя 5 не подает достаточное давление для ресивера продувочного воздуха 2, т.е. в условиях низкой или частичной нагрузки двигателя. При более высоких нагрузках на двигатель, компрессор турбонагнетателя 9 подает достаточно сжатый продувочный воздух, и в дальнейшем вспомогательный вентилятор 16 исключается из цикла посредством обратного клапана 15.
На Фиг. 4 и 5 изображена верхняя часть одного из множества цилиндров 1 в соответствии с типовым вариантом реализации изобретения. Верхняя крышка 48 цилиндров 1 снабжена тремя топливными клапанами 50 для впрыска газообразного топлива из выпускного отверстия топливных клапанов 50, такого как сопло, в камеру сгорания в цилиндре 1.
В данном раскрытии сущности изобретения "газообразное топливо" в широком смысле определяется как любое горючее топливо, которое находится в газообразной фазе при атмосферном давлении и температуре окружающей среды.
В данном типовом примере реализации изобретения показаны три топливных клапана 50 на цилиндр, однако следует понимать, что один или два клапана газообразного топлива 50 на цилиндр может быть достаточно - в зависимости от размера камеры сгорания. Топливный клапан 50 имеет впускное отверстие 53, соединенное с каналом подачи газообразного топлива 62, который подает газообразное топливо под высоким давлением в топливный клапан 50. Один из трех топливных клапанов 50 снабжается посредством канала подачи газообразного топлива 62, остальные два топливных клапана снабжаются посредством каналов подачи топлива 63. В этом варианте реализации изобретения каналы подачи топлива 62, 63 представляют собой просверленные отверстия в верхней крышке 48, которые соединяются с газовым аккумулятором 60, связанным с цилиндром 1.
В газовый аккумулятор 60 поступает газ под высоким давлением из системы подачи газа (не показана), которая содержит газовые резервуары и насосы высокого давления.
Топливный клапан 50 также имеет впускное отверстие, соединенное с источником уплотнительного масла 57 под давлением, причем под таким высоким давлением, которое выше, чем давление газообразного топлива, в более или менее постоянных границах. Источник уплотнительного масла 57 имеет давление, которое, по меньшей мере, немного выше давления источника газообразного топлива 60. Специальные герметизирующие масла с хорошими уплотняющими и смазывающими свойствами предпочтительно используются в качестве уплотнительного масла. Такие уплотнительные масла являются коммерчески доступными и отличаются, например, от мазута тем, что уплотнительные масла обладают лучшими свойствами герметизации и смазывания, но более трудновоспламеняемы.
Топливный клапан 50 также имеет впускное отверстие, соединенное с источником запальной жидкости 44 под давлением, причем под таким высоким давлением, которое выше, чем давление газообразного топлива, в более или менее постоянных границах. Давление запальной жидкости 44, подаваемой в топливный клапан 50, также предпочтительно ниже на постоянный интервал, чем давление уплотнительного масла, и давление газообразного топлива.
Каждый цилиндр 1 в данном типовом примере реализации изобретения снабжен накопителем газообразного топлива 60. Накопитель газообразного топлива 60 содержит некоторое количество газообразного топлива под высоким давлением (например, приблизительно 300 бар), которое готово для доставки к топливным клапанам 50 цилиндра 1. Каналы подачи газообразного топлива 62, 63 проходят между накопителем газообразного топлива 60 и соответствующим клапаном газообразного топлива 50 соответствующего цилиндра 1.
Створчатый клапан 61 расположен в выпускном отверстии накопителя газообразного топлива 60, и створчатый клапан 61 управляет потоком газообразного топлива из накопителя газообразного топлива 60 в каналы подачи газообразного топлива 62, 63.
В верхней крышке 48 предусмотрены три топливных клапана 49 для работы двигателя на мазуте. Клапаны мазута соединены с источником мазута под высоким давлением известным образом.
В одном варианте реализации изобретения (не показан) двигатель выполнен с возможностью работы только на газообразном топливе, и в этом варианте осуществления двигатель не имеет топливных клапанов.
Двигатель снабжен электронным блоком управления (Блоком Управления Двигателем, БУД), который управляет работой двигателя. Сигнальные линии соединяют электронный блок управления БУД с клапанами газообразного топлива50, с клапанами мазута 49 и створчатыми клапанами 61.
Электронный блок управления БУД выполнен с возможностью определения времени впрыска для клапана газообразного топлива и управления дозировкой газообразного топлива с помощью клапанов газообразного топлива 50.
Электронный блок управления БУД открывает и закрывает створчатый клапан 61 для того, чтобы обеспечить заполнение каналов подачи 62, 63 газообразным топливом высокого давления до начала такта впрыска газообразного топлива, управляемого клапаном газообразного топлива 50.
На Фиг. 6, 7, 8, 8а, 9 и 10 изображен топливный клапан 50 для впрыска газообразного топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и для подачи запальной жидкости в соответствии с первым примером реализации изобретения.
Топливный клапан 50 имеет удлиненный корпус клапана 52 с дальним тыльным торцом 88 и соплом 54 на переднем торце. Дальний тыльный торец 88 снабжен множеством отверстий, включая отверстие для впрыска запальной жидкости 46, отверстие управления 72, отверстие для уплотнительного масла 78 и отверстие обнаружения утечки газа 86. Дальний тыльный торец 88 увеличен для образования головки и снабжен отверстиями 94 в головке для приема болтов (не показаны) крепления топливного клапана 50 на крышке 48 цилиндра. В данном варианте реализации изобретения топливные клапаны расположены вокруг центрального выпускного клапана 4, т.е. относительно близко к стенкам гильзы цилиндра. Удлиненный корпус 52 клапана и другие компоненты клапана 50 впрыска топлива, также как и сопло в варианте реализации изобретения, выполнены из стали, например из нержавеющей стали.
Полое сопло 54 снабжено отверстиями 56 сопла, которые соединены с основным отверстием 55 (внутренней полостью, также называемое объемом втулки) сопла 54, причем отверстия 56 сопла распределены радиально по соплу 54, и в одном варианте реализации изобретения также в некоторой степени равномерно распределены по соплу. Отверстия сопла, соединенные с основным отверстием 55, расположены аксиально вблизи закрытого наконечника 59. Радиальное распределение отверстий сопла 56 в данном варианте реализации изобретения осуществляется в относительно узком диапазоне около 50°, и радиальная ориентация отверстий сопла такова, что отверстия сопла 56 (фактически в топливных форсунках, направленных из них) направлены наружу от стенки гильзы цилиндра 1. Кроме того, отверстия сопла 56 ориентированы таким образом, что они находятся примерно в том же направлении, что и направление завихрения продувочного воздуха в камере сгорания, вызванного наклонной конфигурацией продувочных отверстий 19.
Наконечник 59 сопла 54 закрыт, т.е. как бы отсутствует отверстие сопла 56, расположенное на самом краю наконечника 59. Задняя часть или основание 51 сопла 54 соединяется с передним торцом удлиненного корпуса 52 клапана посредством основного отверстия 55 в отверстии сопла 54 напротив выпускного патрубка 68, расположенного в переднем торце удлиненного корпуса топливного клапана 52. Основное отверстие 55 представляет собой продольное отверстие, проходящее от основания 51 к закрытому наконечнику 59, и открытое в задней части сопла 54 для соединения с отверстием/выпускным патрубком 68 в переднем торце удлиненного корпуса клапана 52 ниже седла 69.
Аксиально подвижная игла 61 клапана установлена с возможностью скольжения с точно определенным зазором в продольном отверстии 77 удлиненного корпуса 52 клапана. Игла 61 клапана имеет наконечник, который выполнен с возможностью входа в герметичное сцепление с седлом 69, которое образовано в удлиненном корпусе 52 клапана. В одном варианте реализации изобретения седло 69 расположено вблизи переднего конца удлиненного корпуса 52 клапана. Удлиненный корпус 52 клапана снабжен впускным отверстием для подачи газообразного топлива 53 для присоединения к источнику 60 сжатого газообразного топлива, например, через каналы 62, 63 для подачи газообразного топлива.
Впускное отверстие для газообразного топлива 53 соединено с топливной камерой 58, которая расположена в удлиненном корпусе 52 клапана, а топливная камера 58 окружает передний участок иглы 61 клапана. Седло 69 расположено между топливной камерой 58 и объемом оболочки 55, так что газообразное топливо может перетекать из топливной камеры 58 в основное отверстие 55, когда игла 61 клапана поднята. Из основного отверстия 55 газообразное топливо впрыскивается в камеру сгорания цилиндра 1 через отверстия сопла 56.
Аксиально подвижная игла 61 клапана имеет закрытое положение и открытое положение. В закрытом положении аксиально подвижная игла 61 клапана опирается на седло 69. Таким образом, в своем закрытом положении игла 61 клапана предотвращает поток из впускного отверстия для газообразного топлива (53) в основное отверстие 55. В открытом положении игла 61 клапана поднята относительно седла 69, обеспечивая тем самым поток из впускного отверстия для газообразного топлива (53) в основное отверстие в сопле 54.
Предварительно напряженная спиральная пружина 66 воздействует на иглу 61 клапана и смещает иглу 61 клапана в направлении ее закрытого положении на седле 69. Однако при этом подразумевается, что могут быть предусмотрены другие средства, такие как давление газа или давление масла для смещения иглы 61 клапана в закрытое положение. В одном варианте осуществления изобретения один конец спиральной пружины 66 входит в контакт с тыльным торцом удлиненного корпуса 52 клапана, а другой конец спиральной пружины 66 входит в контакт с расширенным участком или фланцем 83 на заднем конце иглы 61 клапана, при этом тыльный конец иглы 61 клапана образован приводным поршнем 64.
Клапан 50 газообразного топлива снабжен исполнительной приводной системой для управляемого движения аксиально подвижной иглы 61 клапана между ее закрытым положением и открытым положением. В этом варианте реализации изобретения исполнительная приводная система содержит аксиально перемещаемый приводной поршень 64, который установлен с возможностью скольжения в цилиндрической части удлиненного корпуса 52 клапана. Приводной поршень 64 образует вместе с удлиненным корпусом 52 клапана приводную камеру 74. В этом варианте реализации изобретения приводной поршень 64 представляет собой интегральную часть и дальнюю заднюю часть аксиально подвижной иглы 61. Однако, при этом подразумевается, что приводной поршень 64 может быть функционально соединен с иглой 61 клапана различными способами, такими, как посредством резьбового соединения, или посредством сварки, причем предпочтительно, чтобы приводной поршень 64 перемещался синхронно с иглой 61 клапана, хотя это не является необходимым условием.
Приводная камера 74 гидравлически соединена с отверстием 72 для управляющего масла через канал 70 для управляющего масла. Отверстие 72 для управляющего масла соединено с электронным клапаном 96 управляющего масла (Фиг. 4), который, в свою очередь, соединен с источником управляющего масла 97 высокого давления. Электронный клапан 96 управляющего масла предпочтительно двухпозиционного типа и принимает электрический управляющий сигнал от электронного блока управления БУД для управления тактами впрыска.
В других вариантах реализации изобретения (не показаны), указанная игла клапана может приводиться в действие другими приводными средствами, такими как соленоид или линейный электродвигатель.
Приводной поршень 64 снабжен предпочтительно концентрическим цилиндром, который открыт в направлении тыльного торца корпуса, а стационарный поршень 87 установлен с возможностью скольжения внутри этого цилиндра. Приводной поршень 64 выполнен с возможностью перемещения относительно стационарного поршня 87. Цилиндр внутри приводного поршня 64 вместе со стационарным поршнем 87 образует камеру 80, которая обеспечивает пространство для перемещения приводного поршня 64 в осевом направлении.
Удлиненный корпус 52 клапана имеет отверстие для уплотнительного масла 78 для соединения с источником уплотнительного масла 57. Канал 76 подачи уплотнительного масла проходит в осевом направлении в удлиненном корпусе 52 клапана и через стационарный поршень 87, и гидравлически соединяет отверстие для уплотнительного масла 78 с камерой 80.
Вторая часть канала подачи уплотнительного масла проходит коаксиально в игле клапана в виде отверстия 82. Радиальные каналы (не показаны) проходят в аксиально подвижной игле 61 клапана от отверстия 82 до внешней поверхности аксиально смещаемой иглы 61 клапана от патрубка подачи уплотнительного масла в зазор между удлиненным корпусом 52 клапана и аксиально подвижной иглой 61 клапана в положении Р1 вдоль длины аксиального отверстия 77, тем самым смазывая и герметизируя иглу 61 клапана. Уплотнительное масло течет из положения Р1 через зазор как вверх в приводную камеру 74, так и вниз к топливной камере 58. Часть уплотнительной жидкости, которая течет в рабочую камеру 74, смешивается с управляющим маслом. Это не оказывает существенного влияния на управляющее масло.
В данном варианте реализации изобретения часть уплотнительного масла, которое течет в топливную камеру 58, имеет давление запальной жидкости, которая подается в зазор посредством канала для запальной жидкости 45, который проходит от впускного отверстия для запальной жидкости 46 до зазора в положении Р2, которое находится ближе к топливной камере 58, чем положение Р1. Впускное отверстие для запальной жидкости 46 соединено с источником запальной жидкости 44 под давлением.
Поскольку давление уплотнительного масла выше, чем давление запальной жидкости, уплотнительное масло будет предотвращать утечку запальной жидкости в обратном направлении в систему уплотнительного масла.
Запальная жидкость, которая подается в зазор через канал для запальной жидкости 45, доставляется к зазору через канал для запальной жидкости 45 вдоль осевой линии продолжения зазора в направлении топливной камеры 58 и накапливается в нижней части топливной камеры 58, т.е. непосредственно над седлом 69, в то время как аксиально подвижная игла 61 клапана опирается на седло 69, как показано на Фиг. 8а.
Размеры зазора точно отрегулированы и выбраны таким образом, чтобы соответствующее количество запальной жидкости собралось в нижней части топливной камеры 58 во время цикла двигателя, при том, что аксиально подвижная игла 61 клапана опирается на седло 69. Подходящее количество запальной жидкости представляет собой такое количество, которого достаточно для создания надежного и устойчивого воспламенения, и может составлять, например, от 0,1 до 200 мг, в зависимости, например, от размера и нагрузки двигателя. Размеры зазора выбирают так, чтобы они соответствовали свойствам запальной жидкости, таким как, например, вязкость, чтобы постоянный поток запальной жидкости соответствующей величины достигался, если источник запальной жидкости имеет давление, превышающее давление источника газообразного топлива.
Канал обнаружения утечки газа 84 в удлиненном корпусе 52 клапана ведет к отверстию обнаружения утечки газа 86 для обнаружения утечек газа.
Такт впрыска газообразного топлива контролируется электронным блоком управления БУД посредством продолжительности времени открытия клапана газообразного топлива 50, то есть количество газа, впрыскиваемого за один такт впрыска, определяется продолжительностью времени открытия. Таким образом, по сигналу от электронного блока управления БУД давление управляющего масла поднимается в приводной камере 74, и игла 61 клапана поднимается от седла 69, своим движением переводя его из закрытого положения в его открытое положение. Игла 61 клапана всегда будет выполнять полный ход из своего закрытого положения в свое открытое положение, когда давление управляющего масла поднимается, и повышенное давление в приводной камере 74 побуждает приводной поршень 64, поджимает приводной поршень 64 против усилия спиральной пружины 66 в аксиальном направлении от сопла 54 и седла 69.
Запальная жидкость, накопленная в нижней части топливной камеры 58 (Фиг. 8а), поступает в основное отверстие 55 в сопле 54, вслед за которой поступает газообразное топливо, т.е. газообразное топливо толкает запальную жидкость вперед - в основное отверстие 55. Таким образом, запальная жидкость, накопленная в камере 58 сгорания, будет поступать в основное отверстие 55 в сопле 54 непосредственно перед газообразным топливом. В момент непосредственно перед открытием топливного клапана 50, основное отверстие 55 заполнено смесью сжатого горячего воздуха и остаточного несгоревшего газообразного топлива, благодаря сжатию продувочного воздуха в камере сгорания (отверстия 56 сопла обеспечивают поток воздуха из камеры сгорания в основное отверстие 55). Таким образом, вскоре после открытия топливного клапана 50 внутри основного канала 55 будут находиться горячий сжатый воздух, запальная жидкость и газообразное топливо. Это приводят к воспламенению газообразного топлива уже внутри полого сопла 54.
В конце такта впрыска БУД сбрасывает давление из приводной камеры 74, и сила спиральной пружины 66 вызывает возврат иглы 61 клапана к седлу 69.
В варианте реализации изобретения (не показан) приводное средство содержит соленоид или линейный электродвигатель и поршень и управляющее масло не требуются.
Согласно второму типовому варианту реализации изобретения, который по существу идентичен описанному выше варианту реализации изобретения, подача запальной жидкости осуществляется не в зазор, а вместо этого к седлу 69. Этот вариант реализации изобретения проиллюстрирован со ссылкой на Фиг. 8b. Канал для запальной жидкости 45 открывается по направлению к седлу 69. Угол раскрытия конического кончика иглы 61 клапана выполнен немного более острым, чем угол раскрытия конического седла 69, и, таким образом, имеется узкий зазор между наконечником иглы клапана и седлом 69 клапана. Этот узкий просвет позволяет запальной жидкости 47 накапливаться в топливной камере 58 в и непосредственно над седлом 69 клапана, в то время как игла 61 клапана опирается на свое седло 69.
Согласно третьему типовому варианту реализации изобретения, который по существу идентичен вариантам реализации изобретения, описанным выше, подача запальной жидкости осуществляется не в зазор, а вместо этого к седлу 69. Этот вариант реализации изобретения проиллюстрирован со ссылкой на Фиг. 8с. Угол раскрытия конического кончика иглы 61 клапана по существу идентичен углу раскрытия конического гнезда 69, и, таким образом, игла 61 клапана закрывает проход канала для запальной жидкости 45 к седлу клапана, если игла 61 клапана опирается на седло 69 клапана. Запальная жидкость подается к седлу 69 клапана через отверстие канала для запальной жидкости 45 к седлу 69 клапана, в случае подъема иглы клапана. В этом варианте реализации изобретения подача соответствующего количества запальной жидкости должна происходить в короткий промежуток времени, и поэтому давление подачи запальной жидкости и/или площадь поперечного сечения канала для подачи запальной жидкости 45 увеличиваются относительно вариантов реализации изобретения, описанных выше.
Двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия работает посредством подачи сжатого газообразного топлива под первым высоким давлением в топливный клапан 50 двигателя. Уплотнительное масло подают под вторым высоким давлением в топливный клапан 50. Второе высокое давление выше, чем первое высокое давление. Запальную жидкость подают под третьим высоким давлением в топливный клапан 50. Третье высокое давление ниже, чем первое высокое давление, а также ниже, чем второе высокое давление.
Впрыск газообразного топлива регулируют перемещаемой иглой 61 клапана, которая взаимодействует с седлом 69 над полым соплом 54. Топливная камера 58 расположена над седлом 69. Топливная камера 58 находится под давлением газообразного топлива. Небольшой непрерывный поток запальной жидкости подается в топливную камеру 58, и запальная жидкость накапливается над седлом 69 в течение периодов, во время которых игла 61 клапана опирается на седло 69, для вариантов реализации изобретения согласно Фиг. 8а, 8b и 8с. Такт впрыска газообразного топлива запускается посредством подъема аксиально подвижной иглы 61 клапана от седла 69, тем самым заставляя накопленную запальную жидкость поступать в основное отверстие 55 в полом сопле впрыска 54, непосредственно перед газообразным топливом. Затем газообразное топливо воспламеняется внутри сопла 54 с помощью запальной жидкости.
В варианте реализации изобретения, приведенном на Фиг. 8с, запальная жидкость подается к седлу 69 клапана, при подъеме иглы 61 клапана, и, таким образом, газообразное топливо и запальная жидкость подаются в основное отверстие в сопле впрыска 45 одновременно.
Двигатель выполнен с возможностью сжатия и воспламенения впрыснутого газообразного топлива с помощью запальной жидкости и без использования другого оборудования для воспламенения.
Двигатель выполнен с возможностью воспламенения газообразного топлива на входе в основное отверстие внутри сопла 54.
В одном варианте реализации изобретения в сопле 54 поддерживают температуру выше 200°С в течение всего цикла работы двигателя. В одном варианте реализации изобретения температура внутри полого сопла 54 составляет около 600°С в конце такта сжатия.
Термин "содержащий", используемый в формуле изобретения, не исключает других элементов или этапов. Артикль "а" или "an", используемый в формуле изобретения, не исключает множественности. Электронный блок управления может выполнять функции нескольких средств, перечисленных в формуле изобретения.
Ссылочные обозначения, использованные в формуле изобретения, не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.
Хотя данное изобретение было подробно описано с иллюстративной целью, при этом подразумевается, что такие подробности предназначены только для этой цели, и специалистами в данной области техники могут быть сделаны изменения без отклонения от объема данного изобретения.