УСТРОЙСТВО СЖИГАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
DEVICE FOR COMBUSTION OF GASEOUS FUEL FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к устройству сжигания топлива для двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном топливе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Поток всасываемого заряда рабочей смеси оказывает значительное влияние на характеристики двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразном топливе. Смешивание воздуха и, возможно, выхлопных газов с газообразным топливом влияет на качество сгорания топлива в камере сгорания. Движение заряда смеси в камере сгорания во время такта впуска и позднее в течение такта сжатия определяет степень и качество смешивания газообразного топлива. В некоторых зонах характеристики двигателя может требоваться однородный заряд воздушно-топливной смеси, в других зонах слоистая структура заряда топлива вблизи устройства зажигания улучшает характеристики двигателя, а в некоторых зонах локально богатая, а, в общем, бедная воздушно-топливная смесь позволяет улучшить характеристики двигателя. Обеспечение высокой турбулентности является важным фактором стабилизации процесса воспламенения и быстрого распространения фронта воспламенения (скорости распространения пламени), особенно в случае сжигания бедной топливной смеси. Известны два способа приведения в движение заряда рабочей смеси в цилиндрах: вихревое движение в вертикальной плоскости и вихревое движение в горизонтальной плоскости. Вихревое движение в вертикальной и горизонтальной плоскости можно характеризовать безразмерным параметром, используемым для количественного представления вращательного и углового перемещения внутри цилиндра, который называется вихревым отношением вертикального и горизонтального вихревого движения, соответственно. Оба эти параметра рассчитываются как отношение эффективной угловой скорости воздуха, находящегося в цилиндре, и угловой скорости вращения двигателя.
[0003] Известным является способ использования вертикального вихревого движения в маломощном бензиновом двигателе с непосредственным впрыском, в котором применяется слоистая структура топливной смеси вокруг устройства зажигания. В случае вертикального вихревого движения, которое также называется вертикальным вихрем или вихрем барабанного типа, ось вращения всасываемого заряда рабочей смеси в цилиндре является перпендикулярной оси цилиндра. В контексте настоящего изобретения маломощный двигатель представляет собой двигатель, имеющий внутренний диаметр цилиндра менее 90 миллиметров. Применение слоистой структуры топливной смеси является эффективным способом расширения пределов воспламенения бедной топливной смеси в двигателях с искровым зажиганием и, следовательно, обеспечивает повышение экономии топлива, а также снижение выбросов выхлопных газов по сравнению с известными маломощными бензиновыми двигателями. Вертикальное вихревое движение может эффективно применяться для создания высоких значений скорости пристеночного потока даже на относительно поздних стадиях такта сжатия, что может способствовать испарению пристеночной пленки топлива, образованной в результате столкновения со стенкой струи топливной смеси.
[0004] В патенте США №5553580, выданном 10 сентября 1996 г. Ганунгу, описана камера сгорания с высокой степенью завихрения и слоистой структурой топливной смеси барабанного типа, предназначенная для бензиновых двигателей, которая используется для снижения удельного расхода топлива при испытании на тормозном стенде в маломощных двигателях.. Два впускных клапана находятся в гидравлической коммуникации с соответствующими впускными каналами, конструкция которых обеспечивает вертикальное вихревое движение потока. Заряд рабочей смеси, имеющий слоистую структуру барабанного типа, создается в цилиндре посредством подачи бензина в один из указанных впускных каналов таким образом, что слоистая вихревая структура барабанного типа формируется вблизи асимметрично расположенной свечи зажигания. Вихревая структура барабанного типа не обеспечивает повышение скорости горения, а способствует созданию слоистой структуры заряда воздушно-топливной смеси в цилиндре во время зажигания свечи. Большая зона завихрения способствует увеличению скорости горения в результате повышения интенсивности турбулентности во время горения.
[0005] Известным является способ использования горизонтального вихревого движения в мощных дизельных двигателях (с воспламенением от сжатия). В случае горизонтального вихревого движения ось вращения всасываемого заряда рабочей смеси в цилиндре совпадает с осью цилиндра. В контексте данного изобретения мощный двигатель представляет собой двигатель, имеющий внутренний диаметр полости цилиндра более 120 миллиметров. Было установлено, что горизонтальное вихревое движение обеспечивает снижение объема выброса двигателем твердых частиц (ТЧ). В сегменте двигателей с воспламенением от сжатия существует тенденция к повышению давления впрыска топлива, что в случае жидкого топлива приводит к увеличению степени дробления капель, а в случае как жидкого, так и газообразного топлива повышение давления впрыска способствует увеличению эффективности смешивания воздуха и топлива в струе смеси, а также повышению интенсивности турбулентности в камере сгорания. Это является важным фактором, особенно на переходных стадиях, когда система внутреннего сгорания должна функционировать в условиях низкого воздушно-топливного отношения без повышенных выбросов твердых частиц. В случае использования горизонтального вихревого движения объем выбросов твердых частиц на некоторых переходных стадиях может быть уменьшен даже при применении высокого давления впрыска. Переоборудование двигателя, в котором используется горизонтальное вихревое движение, для перехода к применению вертикального вихревого движения требует изменения ориентации впускных каналов и, таким образом, требует другой головки цилиндра. Необходимость новой головки цилиндра сдерживает экспериментирование с этой технологией в сегменте двигателей средней и большой мощности, поскольку дизельные двигатели уже считаются наиболее эффективными двигателями внутреннего сгорания.
[0006] Целью разработки двигателя является уменьшение рабочего объема цилиндров без существенного снижения рабочих характеристик (мощности и крутящего момента). В результате повышения затрат на топливо и перегруженности дорог водители транспортных средств требуют более компактных автомобилей, обеспечивающих такие же общие технические характеристики как большие транспортные средства, но позволяющих уменьшить расход топлива. Во многих странах альтернативные газообразные топлива начинают все шире применяться в сегментах автомобильного рынка, в которых преобладают транспортные средства на бензиновых и дизельных двигателях. В сегменте маломощных транспортных средств уже длительное время эксплуатируются двигатели с впрыском во впускные каналы природного газа, которые переоборудовались после продажи, а недавно выпуск таких транспортных средств начали изготовители транспортных средств. В сегменте мощных двигателей технические характеристики двигателей с непосредственным впрыском под высоким давлением (HPDI) соответствуют характеристикам дизельных двигателей и обеспечивают более высокую экономию топлива по сравнению с двигателями с впрыском природного газа во впускные каналы.
[0007] Существует потребность в двигателях, работающих на газообразном топливе и имеющих технические характеристики, сравнимые с характеристиками более мощных двигателей, но со сниженным расходом топлива, особенно в случае двигателей, предназначенных для сегмента транспортных средств средней мощности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Усовершенствованное устройство сжигания топлива, предназначенное для двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном топливе, содержит камеру сгорания, образованную полостью цилиндра, головкой цилиндра и поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение внутри полости цилиндра. Внутренний диаметр полости цилиндра составляет по меньшей мере 90 мм, а отношение указанного диаметра и длины хода поршня не превышает 0,95. В указанном устройстве предусмотрен по меньшей мере один впускной канал для подачи заряда рабочей смеси в камеру сгорания и в головке цилиндра предусмотрен по меньшей мере один впускной клапан, взаимодействующий с впускным каналом с целью создания преимущественно вертикального вихревого движения потока в камере сгорания.
[0009] В предпочтительных вариантах реализации изобретения указанное отношение составляет по меньшей мере 0,75 и (или) указанный диаметр цилиндра меньше или равен 120 мм. Рабочий объем полости цилиндра предпочтительно находится между 0,8 л и 2,5 л. Для подачи газообразного топлива выше по потоку от указанного по меньшей мере одного впускного клапана может быть предусмотрен клапан впрыска топлива. В альтернативном варианте клапан впрыска может быть размещен в камере сгорания для непосредственной подачи в камеру газообразного топлива. Устройство зажигания может быть размещено в камере сгорания для способствования зажиганию газообразного топлива и заряда смеси. В предпочтительном варианте реализации изобретения устройство зажигания представляет собой свечу зажигания. Предпочтительно вертикальное вихревое движение потока имеет среднее вихревое отношение между 2 и 5. Максимальная частота вращения двигателя внутреннего сгорания составляет 2700 оборотов в минуту. Каждый впускной клапан содержит запорный элемент и седло клапана. Седло клапана имеет угол конуса седла клапана между 25° и 35°. В предпочтительном варианте реализации изобретения угол конуса седла клапана, по существу, составляет 30°. Разность между углом конуса седла клапана и углом наклона впускного патрубка находится между -5° и 5°. Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания составляет по меньшей мере 11:1, а в предпочтительном варианте реализации изобретения составляет не более 15:1. Впускной коллектор содержит первую распределительную камеру, находящуюся в гидравлической коммуникации с воздухозаборником двигателя внутреннего сгорания, вторую распределительную камеру, находящуюся в гидравлической коммуникации по меньшей мере с одним впускным каналом, и диффузор, гидравлически соединяющий первую и вторую распределительные камеры. Устройство сжигания топлива может содержать клапан рециркуляции выхлопных газов (РВГ), для выборочной подачи выхлопных газов во впускной коллектор. В предпочтительном варианте реализации изобретения выхлопные газы охлаждаются перед подачей во впускной коллектор. Дроссельный клапан может использоваться для управления подачей воздуха во впускной коллектор. В предпочтительных вариантах реализации изобретения дроссельный клапан предназначен для поддержания стехиометрического состава смеси газообразного топлива и воздуха в пределах заданного допуска.
[0010] В предпочтительном варианте реализации изобретения указанный по меньшей мере один впускной канал является первым впускным каналом и вторым впускным каналом, а указанный по меньшей мере один впускной клапан является первым впускным клапаном и вторым впускным клапаном. Устройство сжигания топлива дополнительно содержит делитель потока, находящийся в гидравлической коммуникации с клапаном впрыска, через который к делителю потока подается газообразное топливо, и соединенный с первым и вторым впускными каналами для подачи газообразного топлива, полученного от клапана впрыска. Делитель потока содержит корпус, содержащий отверстие и два канала. Отверстие находится в гидравлической коммуникации с клапаном впрыска, а каждый канал находится в гидравлической коммуникации с отверстием и с одним соответствующим первым или вторым впускными каналами.
[0011] Двигатель внутреннего сгорания содержит блок двигателя и впускной коллектор, а по меньшей мере один впускной канал является первым впускным каналом и вторым впускным каналом. В другом предпочтительном варианте реализации изобретения устройство сжигания топлива дополнительно содержит шесть болтов, размещенных вокруг полости цилиндра для крепления головки цилиндра к блоку двигателя. Первый и второй впускные каналы проходят от впускного коллектора вдоль соответствующих сторон одного из болтов в направлении камеры сгорания.
[0012] Новый делитель потока газообразного топлива для разделения потока газообразного топлива от клапана впрыска топлива, содержит корпус, содержащий отверстие, находящееся в гидравлической коммуникации с клапаном впрыска топлива, а также первый и второй каналы, гидравлически соединенные с указанным отверстием. Поток газообразного топлива разделяется на первый и второй потоки, проходящие по первому и второму каналу, соответственно. В предпочтительном варианте реализации изобретения клапан впрыска топлива является частью инжектора топлива, а указанное отверстие предназначено для размещения сопла инжектора топлива. В других предпочтительных вариантах реализации изобретения первый и второй каналы расположены, по существу, перпендикулярно продольной оси отверстия и (или) указанного корпуса и выполнены как единый компонент.
[0013] Усовершенствованный впускной коллектор для двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном топливе, содержит первую распределительную камеру, находящуюся в гидравлической коммуникации с воздухозаборником двигателя внутреннего сгорания, вторую распределительную камеру, находящуюся в гидравлической коммуникации по меньшей мере с одним впускным каналом каждой камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, и диффузор, гидравлически соединяющий первую и вторую распределительные камеры. Первая распределительная камера может содержать входное отверстие, расположенное в средней части, а наружный контур первой распределительной камеры может сужаться в направлении диффузора с обеих сторон входного отверстия. Диффузор содержит щель, имеющую уменьшенное проходное сечение по сравнению с первой распределительной камерой. В предпочтительном варианте реализации изобретения вторая распределительная камера находится в гидравлической коммуникации с двумя впускными каналами каждой камеры сгорания.
[0014] Усовершенствованная компоновка впускного патрубка и седла клапана для двигателя внутреннего сгорания, работающего на газообразном топливе, предусматривает наличие разности между углом наклона нижнего сегмента впускного патрубка и углом конуса седла клапана между -5° и +5°. Угол конуса седла клапана находится между 25° и 35°, а в предпочтительном варианте реализации изобретения угол конуса седла клапана, по существу, составляет 30°. Когда запорный элемент, связанный с седлом клапана, находится в открытом положении, поток во впускном патрубке, по существу, смещен в направлении верхней стороны запорного элемента.
[0015] Усовершенствованный двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе, содержит головку цилиндра, блок двигателя, содержащий полость цилиндра, и поршень, связанный с полостью цилиндра. Поршень, полость цилиндра и головка цилиндра образуют камеру сгорания. Первый набор из шести болтов размещен вокруг полости цилиндра для крепления головки цилиндра к блоку двигателя и предпочтительно расположен в виде шестиугольника. Первый и второй впускные каналы проходят от впускного коллектора вдоль соответствующих сторон одного из болтов в направлении камеры сгорания. В предпочтительном варианте реализации изобретения предусмотрен вторая полость цилиндра и второй набор из шести болтов, размещенных вокруг второй полости цилиндра. Пара болтов первого и второго наборов болтов является общей для двух наборов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0016] Фиг. 1 иллюстрирует частичный вид сверху в разрезе двигателя внутреннего сгорания, содержащего устройство сжигания газообразного топлива в соответствии с первым вариантом реализации изобретения.
[0017] Фиг. 2 иллюстрирует схематический вид сверху двигателя внутреннего сгорания, проиллюстрированного на фиг. 1.
[0018] Фиг. 3 иллюстрирует вид в перспективе впускного коллектора, выпускного коллектора, множества цилиндров и соответствующих впускных каналов и выпускных каналов двигателя внутреннего сгорания, проиллюстрированного на фиг. 1.
[0019] Фиг. 4 иллюстрирует фронтальный вид впускного коллектора, проиллюстрированного на фиг. 3.
[0020] Фиг. 5 иллюстрирует вид в перспективе делителя потока газообразного топлива, гидравлически соединяющего один клапан впрыска с двумя впускными каналами.
[0021] Фиг. 6 иллюстрирует частичный вид в разрезе делителя потока, проиллюстрированного на фиг. 5.
[0022] Фиг. 7 иллюстрирует вид в разрезе по линии 7-7, проиллюстрированной на фиг. 2.
[0023] Фиг. 8 иллюстрирует вид в разрезе по линии 8-8, проиллюстрированной на фиг. 2.
[0024] Фиг. 9 иллюстрирует вид выносного элемента фиг. 8, иллюстрирующего впускной клапан в полностью открытом состоянии.
[0025] Фиг. 10 иллюстрирует вид в поперечном разрезе впускного патрубка, проходящего в камеру сгорания, который проиллюстрирован на фиг. 9.
[0026] Фиг. 11 иллюстрирует график кривой крутящего момента дизельного двигателя D8K 350 компании Volvo с воспламенением от сжатия, обеспечивающего степень сжатия 17,5:1, и двигателя внутреннего сгорания, проиллюстрированного на фиг. 1, который обеспечивает степень сжатия 12:1, причем рабочий объем обоих двигателей составляет 7,7 л, а также двигателя ISL-G компании CWI с искровым зажиганием, работающего на природном газе и имеющего рабочий объем 8,9 л.
[0027] Фиг. 12 иллюстрирует схематический вид двигателя внутреннего сгорания, содержащего устройство сжигания газообразного топлива в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0028] На фигурах и, прежде всего, фиг. 1 и 2, проиллюстрирован двигатель 10, содержащий устройство 15 сжигания газообразного топлива в соответствии с первым вариантом реализации изобретения. Впускной коллектор 100 содержит первую распределительную камеру 110 и вторую распределительную камеру 120, также известные как напорные камеры, которые гидравлически соединены между собой диффузором 130. Первая распределительная камера 110 находится в гидравлической коммуникации с дроссельным клапаном 140 для обеспечения подачи заряда воздуха от воздухозаборника двигателя 10, а при использовании в двигателе 10 процесса рециркуляции выхлопных газов клапан 150 РВГ осуществляет подачу выхлопных газов в поток всасываемого воздуха. Пара впускных каналов 20 проходит вдоль соответствующих сторон одного болта 5 крепления головки цилиндра и гидравлически соединяет вторую распределительную камеру 120 с соответствующими впускными клапанами 40 каждого цилиндра 90. Каждый впускной канал 20 содержит впускной тракт 22, соединенный со второй распределительной камерой 120 и впускной патрубок 24, размещенный на головке 240 цилиндра (наиболее четко указано на фиг. 8). Хотя в проиллюстрированном варианте реализации изобретения представлены шесть цилиндров, в других вариантах реализации могут быть предусмотрены один или более цилиндров. Как принято для типового варианта двигателей средней и большой мощности, болты 5 крепления головок цилиндров расположены вокруг каждого цилиндра 90 в форме шестиугольника, так что два болта обеспечивают крепление головок смежных цилиндров. Выпускные каналы 30 проходят от выпускных клапанов 50 и объединяются в один выпускной канал, ведущий в проиллюстрированном варианте реализации изобретения к выпускному коллектору 160, хотя возможны другие конструкции, не выходящие за пределы сущности настоящего изобретения. Каждый выпускной канал содержит выпускной тракт 32 и выпускной патрубок 34, размещенный на головке 240 цилиндра (наиболее четко указано на фиг. 8).
[0029] Впускной коллектор 100 разработан с учетом характеристик, повышающих степень выравнивания распределения заряда воздуха (и рециркулирующих выхлопных газов), подаваемого к каждому цилиндру 90, посредством подачи потока из первой распределительной камеры 110 во вторую распределительную камеру 120 через диффузор 130. Наружный контур 115 первой распределительной камеры 110 проходит в направлении диффузора 130 с обеих сторон расположенного посредине входного отверстия 105 для выравнивания давления заряда вдоль первой распределительной камеры 110 перед входом во вторую распределительную камеру 120. Диффузор 130 выполнен в виде щели, проходящей вдоль первой и второй распределительных камер 110 и 120. Вследствие наличия уменьшенного проходного сечения диффузора 130 поток заряда задерживается, что вызывает столкновение потока со стенками первой распределительной камеры 110, в результате чего возникает турбулентность и общее повышение давления, а также обеспечивается выравнивание давления по длине первой распределительной камеры. Созданная в первой распределительной камере 110 турбулентность повышает эффективность смешивания воздуха и рециркулирующих выхлопных газов
[0030] Как указано на фиг. 5 и 6, делители 80 потока осуществляют гидравлическое соединение соответствующего инжектора 170 газообразного топлива (показан на фиг. 5-8) с соответствующими впускными каналами 20 при помощи каналов 85, обеспечивая одновременную подачу газообразного топлива одним инжектором топлива в пару впускных каналов каждого соответствующего цилиндра 90. Делители потока содержат корпус 82, содержащий отверстие, в которое вставляется сопло инжектора 170 топлива. Указанное отверстие также служит в качестве камеры и накопителя газообразного топлива, поданного от инжектора 170 топлива, поток которого наталкивается на торцевую стенку отверстия, вследствие чего повышается давление, и выходит через каналы 85 в соответствующие впускные каналы 20. В предпочтительном варианте реализации изобретения каналы 85 расположены, по существу перпендикулярно продольной оси отверстия, предусмотренного в корпусе 82. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения делитель 80 потока представляет собой цельный компонент, хотя в других вариантах реализации изобретения делитель 80 потока может представлять собой узел, состоящий из нескольких компонентов, и в этих вариантах реализации изобретения могут быть предусмотрены дополнительные компоненты, например, уплотнения. Инжекторы 170 газообразного топлива находятся в гидравлической коммуникации с источником газообразного топлива (не показан) и осуществляют подачу газообразного топлива в соответствии с заданным режимом к делителю 80 потока так, что смесь газообразного топлива и воздуха подается в цилиндр 90 через соответствующие впускные клапаны 40. В настоящем документе описывается смесь газообразного топлива и воздуха, которая, как предполагается, также охватывает смесь газообразного топлива, воздуха и рециркулирующих выхлопных газов, в зависимости от условий эксплуатации и требований к двигателю 10. Источник газообразного топлива выполняет подачу газообразного топлива под давлением, требуемым для впрыска во впускной канал. В предпочтительном варианте реализации изобретения источник газообразного топлива осуществляет хранение газообразного топлива в форме сжатого природного газа и содержит регулятор давления для снижения давления хранения до заданного давления впрыска во впускной канал. Газообразное топливо представляет собой любое топливо, находящееся в газообразном состоянии при стандартной температуре и давлении, которые в контексте настоящего изобретения составляют 20 градусов Цельсия (°С) и 1 атмосферу (атм.). Примером газообразного топлива является природный газ.
[0031] Каждый цилиндр 90 содержит механизм для зажигания смеси газообразного топлива и воздуха, находящейся в цилиндре. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения указанный механизм представлен устройством 60 зажигания. В предпочтительных вариантах реализации изобретения устройство для принудительного воспламенения представляет собой свечу зажигания (как проиллюстрировано на фиг. 7). Как указано на фиг. 1, в проиллюстрированном варианте реализации изобретения устройство 180 наддува, предназначенное для повышения давления подаваемого воздуха, представляет собой турбонагнетатель, содержащий турбину 182 и компрессор 184. Выход компрессора 184 находится в гидравлической коммуникации с воздухозаборником двигателя 10. В альтернативных вариантах реализации изобретения устройство 180 наддува может содержать последовательно включенные турбонагнетатели или может быть представлено в виде механического нагнетателя или комбинации турбонагнетателей и механических нагнетателей. Выпускной коллектор 160 содержит патрубок 155 РВГ, гидравлически соединенный с клапаном 150 РВГ. В другом варианте реализации изобретения выпускной коллектор и устройство РВГ может быть подобным устройству, описанному в предварительной патентной заявке США №61/870203, поданной заявителем по настоящему патенту, которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.
[0032] Как указано на фиг. 8 и 9, каждый цилиндр 90 содержит соответствующую камеру 200 сгорания, образованную соответствующей полостью цилиндра 210 в блоке 220 двигателя, соответствующим поршнем 230 и головкой 240 цилиндра. Как проиллюстрировано на фиг. 9, каждый впускной клапан 40 содержит соответствующий запорный элемент 42 и соответствующее седло 26 клапана, расположенное в виде кольцеобразной структуры вокруг отверстия впускного патрубка 24, через которое заряд рабочей смеси подается в камеру 200 сгорания. Кольцевая поверхность 44 на задней стороне каждого запорного элемента 42 прижимается к седлу 26 клапана для прекращения подачи в камеру 200 сгорания текучей среды из соответствующих впускных каналов 20, когда соответствующие впускные клапаны 40 находятся в закрытом положении. Угол α конуса седла клапана определяется как угол между плоскостью 25 выходного отверстия патрубка и седлом клапана. В предпочтительном варианте реализации изобретения угол α конуса седла клапана находится между 20° и 35° и, предпочтительно, составляет 30°. Указанный диапазон угла конуса седла клапана способствует вертикальному вихревому движению, как более подробно будет указано далее, и уменьшает износ седла клапана, обеспечивая повышенную долговечность. Для стимулирования вертикального вихревого движения в камере 200 сгорания головка 240 цилиндра имеет шатрообразную конфигурацию 280 над полостью цилиндра 210, а днище 270 поршня, в общем, имеет вогнутую форму. Наклон шатрообразной конфигурации 280 аналогичен кривизне днища 270 поршня, так что, когда поршень 230 находится в верхней мертвой точке (ВМТ), камера 230 сгорания имеет, по существу, симметричную форму.
[0033] Двигатель 10 представляет собой двигатель средней мощности. В контексте настоящего изобретения для двигателя средней мощности внутренний диаметр полости цилиндра 210 находится между 90 мм и 120 мм. В альтернативных вариантах реализации изобретения диаметр полости цилиндра 210 может превышать 120 мм, например, в мощных двигателях и в еще более мощных двигателях, таких как двигатели, применяемые в локомотивах, рудничных откаточных транспортных средствах и на морских судах. В предпочтительных вариантах реализации изобретения было установлено, что отношение внутреннего диаметра полости цилиндра 210 и длины хода поршня 230 (отношение диаметра цилиндра к ходу поршня) между 0,75 и 0,95 обеспечивает неожиданное повышение удельной мощности без снижения коэффициента полезного действия (КПД). Фактически КПД увеличился в результате снижения теплопередачи от газообразных продуктов сгорания к полости цилиндра 210, вследствие чего увеличилась мощность, передаваемая на коленчатый вал двигателя 10. Рабочий объем соответствующих полостей цилиндров 210, в которых размещаются поршни 230, находится между 0,8 л и 2,5 л. В отличие от маломощных двигателей, в которых используется вертикальное вихревое движение, максимальная частота вращения двигателя 10 во всех режимах работы составляет 2700 оборотов в минуту (об./мин.).
[0034] В отношении каждого цилиндра 90 пара впускных каналов 20, соответствующие впускные клапаны 40 и камера 200 сгорания взаимодействуют для создания вертикального вихревого движения воздушно-топливной смеси в камере сгорания. В предпочтительном варианте изобретения среднее вихревое отношение вертикального вихревого движения составляет по меньшей мере 2. В другом предпочтительном варианте реализации изобретения среднее вихревое отношение вертикального вихревого движения находится между 2 и 5. Когда запорный элемент 42 полностью отведен от седла, как проиллюстрировано на фиг. 9, поток (воздух, рециркулирующие выхлопные газы, газообразное топливо), проходящий вдоль нижнего сегмента 290 патрубка, сильно смещен в направлении верхней стороны 46 запорного элемента 42, так что для проиллюстрированного варианта реализации изобретения в камере 200 сгорания создается вертикальное вихревое движение, направленное против часовой стрелки. Поток, попадающий на нижнюю сторону 48 запорного элемента 42, создает в камере 200 сгорания вертикальное вихревое движение, направленное по часовой стрелке, которое противодействует направленному против часовой стрелки вертикальному вихревому движению, созданному потоком, проходящим над верхней стороной 48. Для ослабления вертикального вихревого движения в камере 200 сгорания в направлении по часовой стрелке нижние сегменты 290 впускных патрубков 24 преднамеренно удалены от нижней стороны 48 запорного элемента 42 в закрытом положении, так что поток, по существу, проходит над верхней стороной 46 запорного элемента 42, находящегося в открытом положении. Угол θ наклона впускных патрубков 24, который определяется как угол между нижним сегментом 290 патрубка и поперечной плоскостью 35 цилиндра, равен углу α конуса седла клапана в пределах заданного диапазона допуска с целью снижения и, предпочтительно, минимизации неравномерности и резких изменений направления потока на входе воздуха в камеру 200 сгорания, что улучшает характеристики впускного патрубка. В предпочтительном варианте реализации изобретения разность между углом θ наклона патрубка и углом α конуса седла клапана менее ±5°. Изменения направления потока вызывают возникновение перепадов давления, которые действуют как препятствия на пути потока. На фиг. 10 проиллюстрирован вид в разрезе впускного патрубка 24, выполненном в поперечной плоскости впускного патрубка и представляющем камеру 200 сгорания с запорным элементом 42 в полностью открытом состоянии. Этот вид иллюстрирует значительное смещение потока, проходящего над верхней стороной 46 запорного элемента 42, для создания вертикального вихревого движения в камере 200 сгорания. Поперечный профиль выхода патрубка 24, в общем, имеет форму квадрата с закругленными углами. Угол θ наклона патрубка, угол α конуса седла клапана и форма впускных патрубков 24 согласованы между собой с целью повышения интенсивности вертикального вихревого движения смеси газообразного топлива и воздуха в камере 200 сгорания.
[0035] Кинетическая энергия турбулентного потока смеси газообразного топлива и воздуха увеличивается при сжатии в камере 200 сгорания смеси, находящейся в вертикальном вихревом движении, по сравнению с камерами сгорания, в которых воздух, находится в горизонтальном вихревом движении, и безвихревыми камерами сгорания, и таким образом, увеличивается кинетическая энергия турбулентности. Повышается скорость распространения пламени турбулентного потока смеси, а также локальных ламинарных фронтов воспламенения в пределах турбулентной смеси. Вследствие повышения скорости распространения пламени повышается предел детонации и, следовательно, посредством повышения степени сжатия может быть увеличен КПД. Предпочтительным является диапазон степени сжатия между 11:1 и 15:1. Работа двигателя 10 с охлаждением РВГ и увеличением используемого объема РВГ приводит к снижению вероятности детонации и повышению отношения удельных теплоемкостей рабочего газа в результате чего повышается КПД двигателя, работающего по циклу Отто. Использование степени сжатия, превышающей примерно 15:1, приводит к снижению отдачи, поскольку потери тепла при сжатии превышают величину, которая может быть возвращена в результате расширения. В двигателях с воспламенением от сжатия для улучшения характеристик холодного запуска используется степень сжатия более 15:1, но это не требуется в двигателях с искровым зажиганием. При более низких величинах степени сжатия по сравнению с двигателями с воспламенением от сжатия размеры поршней и подшипников могут быть уменьшены с результирующим снижением трения и соответствующим повышением КПД.
[0036] Двигатель в соответствии с проиллюстрированным вариантом реализации изобретения функционировал в испытательной камере с использованием природного газа в качестве топлива при степени сжатия 12:1, и в определенном диапазоне частот вращения двигателя регистрировались данные крутящего момента. График, проиллюстрированный на фиг. 11, указывает полученные данные в сравнении с кривой крутящего момента дизельного двигателя с воспламенением от сжатия D8K 350 компании Volvo, имеющего аналогичный рабочий объем (7,7 л), но в котором используется степень сжатия 17,5:1, и двигателя ISL-G компании CWI с искровым зажиганием, работающего на природном газе, который имеет рабочий объем 8,9 л. Удивительно, что двигатель в соответствии с настоящим изобретением показал более высокие характеристики в сравнении с другим двигателем с искровым зажиганием, работающим на природном газе (ISL-G), который имеет значительно больший рабочий объем. Обычно можно было бы предположить, что дизельный двигатель с большей степенью сжатия имеет более высокие характеристики и КПД. Как видно при рассмотрении кривых, в пределах диапазона частот вращения двигателя, который использовался в процессе испытаний, крутящий момент двигателя в соответствии с настоящим изобретением имеет более высокие характеристики в сравнении с дизельным двигателем, в котором применяется более высокая степень сжатия. Дизельный двигатель с воспламенением от сжатия D8K 350 компании Volvo (далее «дизельный двигатель») эксплуатируется в режиме горения бедной смеси, а двигатель 10 работает в режиме стехиометрического состава воздушно-топливной смеси или вблизи указанного режима. Работа дизельного двигателя отличается от работы двигателя 10 тем, что для дизельного двигателя необходим избыток воздуха для предотвращения возникновения дыма. Следовательно, для подачи требуемого избыточного воздуха турбонагнетатель дизельного двигателя должен иметь значительно большую мощность в сравнении с устройством 180 наддува, чтобы получить такую же мощность и крутящий момент, как двигатель 10, работающий на стехиометрическом составе горючей смеси, в котором осуществляется подача (по существу) только объема воздуха, достаточного для получения указанной мощности и крутящего момента. В результате этого, в устройстве 180 наддува может использоваться значительно менее мощный турбонагнетатель в сравнении с дизельным двигателем, который, соответственно, может быстрее обеспечить подачу меньшего (в сравнении с дизельным двигателем) объема воздуха для наддува, требуемого двигателю 10. Частота вращения двигателя 10 поддерживается на уровне ниже 2700 об./мин. во всех режимах работы. В результате работы с пониженной частотой вращения двигателя увеличивается экономия топлива, обусловленная снижением потерь энергии на трение. Устройство 180 наддува компенсирует пониженную частоту вращения двигателя посредством повышения давления во впускном коллекторе 100, увеличивая, таким образом, объем кислорода, доступного для горения в камере 200 сгорания в каждом цикле зажигания.
[0037] На фиг. 12 проиллюстрирован двигатель 11, содержащий устройство 21 сжигания газообразного топлива в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения, подобным первому варианту реализации изобретения, в котором аналогичные детали имеют одинаковые числовые обозначения. Указанные детали не описываются подробно или их описание вообще не приводится. Инжекторы 65 непосредственного впрыска подают газообразное топливо непосредственно в камеру 200 сгорания, так что делитель 80 потока не требуется. Инжекторы 65 непосредственного впрыска могут быть расположены по центру соответствующих цилиндров 90 или могут быть смещены в направлении впускных клапанов 40. В альтернативном варианте инжекторы 65 непосредственного впрыска могут быть заменены инжекторами (не показаны), размещенными на стенке полости цилиндра 210.
[0038] При использовании способов, описанных в настоящем документе, двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе, может иметь более высокие характеристики, чем дизельный двигатель с воспламенением от сжатия, имеющий аналогичный рабочий объем. Это позволяет уменьшить размеры двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразном топливе, в сравнении с известными двигателями внутреннего сгорания, имеющими аналогичный рабочий объем, без снижения мощности и крутящего момента. В некоторых случаях может быть уменьшено количество цилиндров, обеспечивающее еще большее уменьшение размеров двигателя и повышение экономии топлива.
Хотя были представлены и описаны конкретные элементы, варианты реализации и применения настоящего изобретения, очевидно, что настоящее изобретение не ограничивается указанными элементами, вариантами и применениями, поскольку специалисты в данной области техники могут осуществить изменения, не выходящие за пределы объема изобретения, сущность которого, в частности, указана в представленном описании.