СПОСОБ ПОДАЧИ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2020 года по МПК F02B43/02 F02B43/04 F02B43/06 F02B43/12 F02D19/02 F02M21/02 

Способ подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания относится к энергетическому и транспортному машиностроению и предназначен для энергетических установок наземного базирования и транспортных средств.

Известен способ (стр. 144-145, Системы управления бензиновыми двигателями. Перевод с немецкого. Первое русское издание. - М: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005. - 432 с. ) заключающийся во впрыске топлива на закрытый впускной клапан во впускной трубопровод, при этом рабочая смесь образуется и накапливается за пределами камеры сгорания, т.е. во впускном трубопроводе.

Недостатки способа в том, что, во первых, во впускном трубопроводе образуется взрывоопасная смесь, во вторых, топливная форсунка не является активным элементом эжекторного компрессора для улучшения наполнения цилиндра топливовоздушной смесью, т.к. впрыск топлива осуществляется на закрытый впускной клапан, а при использовании газовых топлив - это приводит к ухудшению наполнения цилиндра топливовоздушной смесью.

Известны способы (стр. 307-321, Теория рабочих процессов и моделирование процессов ДВС: учеб. / Ю.Л. Ковылов. - Самара: Изд-во Самаре, гос. аэрокосм, ун-та, 2013. - 416 с.) наддува цилиндра за счет скоростного напора, инерционного эффекта, эффекта волнового обменника давления и с помощью нагнетателей.

Недостатки способов заключаются в том, что при скоростном напоре требуется повышение скорости топливовоздушной смеси на входе во впускной клапан, а без дополнительных технических устройств и дополнительной энергии его не получить, инерционный эффект наддува имеет не значительное увеличение наддува цилиндра из-за малых скоростей и малой массы топливовоздушной смеси на входе во впускной клапан, эффект волнового обменника давления не значительно улучшается наполнение цилиндра топливовоздушной смесью при работе двигателя внутреннего сгорания на газовом виде топлива только на отдельных режимах работы, при этом требуется сложная много объемная система впуска с системой ее управления, внешние дополнительные нагнетатели требуют затраты дополнительной энергии и сложны по конструктивному исполнению, при этом имеют низкую надежность.

Известен способ (патент RU №2450156, опубл. 10.05.2012) наддува двигателя внутреннего сгорания, состоящий из установки резонатора во впускной системе двигателя, при этом в качестве резонатора, установленного во впускной системе перед дроссельной заслонкой или перед впускным коллектором, если дроссельной заслонки нет, по ходу движения воздуха, используют экспоненциальный, или радиальный, или конический, или гиперболический, или трактрису, или комбинированный рупор с его свойством увеличивать амплитуду колебаний воздушной волны в широкой полосе частот, создавать концентрацию принимаемой волновой энергии, увеличивать амплитуду давления волны в горле рупора, преобразовывать волновую энергию от низкого давления и высокой колебательной скорости в районе устья к высокому давлению и низкой колебательной скорости в горле, причем предварительно осуществляют выбор частот вращения коленчатого вала двигателя, на которых осуществляется наддув, и параметры рупора: диапазон рабочих частот, площадь горла, площадь устья, общая длина, формула и коэффициент раскрытия на длину, при этом для расчета контура экспоненциального рупора используют формулу.

Недостаток способа в том, что незначительно улучшается наполнение цилиндра топливовоздушной смесью при работе двигателя внутреннего сгорания на газовом виде топлива только на отдельных режимах работы, при этом требуется сложная много объемная система впуска с системой ее управления.

Известен способ (патент RU 2464439, опубл. 20.10.2012) управления системой впрыска газа в ДВС, работающий на газообразном и на жидком топливах, включающей в себя газовый баллон, запорный клапан и несколько клапанов газовых форсунок, заключается в закрытии запорного клапана, запуске ДВС и открытии всех клапанов газовых форсунок по заданной схеме при закрытом запорном клапане, при этом по схеме снижают давление на клапанах газовых форсунок, пока не будет определен, по меньшей мере, один открывающийся клапан, и давление газа на клапанах газовых форсунок снижают путем открытия этого клапана.

Недостатки способа в том, что газовые форсунки при впрыске газового топлива во впускной трубопровод вытесняют воздух в соответствии с объемным стехиометрическим числом, что ухудшает наполнение цилиндра топливовоздушной смесью.

Задачи изобретения: повышение наполнения цилиндра топливовоздушной смесью путем увеличения скорости ее движения перед впускным клапаном, повышение безопасности работы двигателя внутреннего сгорания, снижение выбросов газового топлива в атмосферу в период одновременно открытых впускного и выпускного клапанов.

Поставленные задачи в способе подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания, заключающийся в его подаче через форсунки в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр во впускной трубопровод при перепаде давления на их клапанах равном или больше критического, при этом форсунки для впрыска газового топлива используют в качестве активного элемента для эжекции воздуха во впускном трубопроводе, а газовое топливо подают в период открытого состояния впускного клапана, решаются тем, что, подачу газового топлива прекращают за 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия впускного клапана, а также тем, что, угол прекращения подачи газового топлива, по положению коленчатого вала, увеличивают при возрастании частоты вращения коленчатого вала, а при снижении частоты вращения коленчатого вала уменьшают, и тем, что, подачу газового топлива начинают за 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия выпускного клапана и тем, что, угол начала подачи газового топлива, по положению коленчатого вала, увеличивают при возрастании частоты вращения коленчатого вала, а при снижении частоты вращения коленчатого вала уменьшают и тем, что, газовое топливо подают на расстоянии от 2d до 6d от впускного клапана по центральной оси движения топливовоздушной смеси, где d - внутренний диаметр впускного трубопровода и тем. что. при увеличении расстояния подачи газового топлива от 2d до 6d от впускного клапана по центральной оси движения топливовоздушной смеси и при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, пропорционально увеличивают угол прекращения подачи газового топлива в пределах 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия впускного клапана и увеличивают угол начала подачи газового топлива в пределах 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия выпускного клапана и тем, что, при увеличении частоты вращения коленчатого вала и нагрузки (крутящего момента и мощности) двигателя внутреннего сгорания увеличивают число форсунок от одной до четырех на каждый цилиндр, участвующих в цикловой подаче топлива, а при снижении частоты вращения коленчатого вала и нагрузки уменьшают.

В известных технических решениях признаков сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружено, следовательно, это решение обладает существенными отличиями. Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время, заявляемое техническое решение применимо в промышленности, в частности в энергетическом и транспортном машиностроении для подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания для наземных или транспортных энергетических установок, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение поясняется следующими схемами.

На фиг. 1 представлена схема системы для осуществления способа подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания.

На фиг. 2 представлена диаграмма открытия выпускного и впускного клапанов и период подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания.

На фиг. 3 представлена диаграмма прекращения подачи газового топлива до момента закрытия впускного клапана.

На фиг. 4 представлена диаграмма начала подачи газового топлива после момента закрытия выпускного клапана.

На фиг. 5 представлена диаграмма начала подачи газового топлива до момента закрытия выпускного клапана.

Система (фиг. 1) для осуществления способа подачи содержит цилиндр 1 с диаметром 10 равным D_ц, внутри которого движется поршень 2 и впускной клапан 3, вход которого соединен с впускным трубопроводом 4, по центральной оси которого со скоростью 5 из сопла 6 форсунки 7 подают газовое топливо, при этом форсунка 7, которых может быть в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1 в зависимости от конструкции двигателя внутреннего сгорания, и ее или их сопло 6 являются активными элементами эжекторного компрессора, а воздух движется со скоростью 8 во впускном трубопроводе 4 диаметром 9 равным d.

На диаграмме (фиг. 2) показана по высоте подъема 11 циклограмма 12 открытия выпускного и циклограмма 13 впускного 3 клапанов по углу 14 положения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, а также период 15 подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания и период 16 одновременного открытых выпускного и впускного 3 клапанов для продувки воздухом цилиндра 1.

На диаграмме (фиг. 3) показан период 17 подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания до начала периода 18 составляющего угол 5-110 градусов по углу положения коленчатого вала до полного закрытия впускного клапана 3 по циклограмме 13.

На диаграмме (фиг. 4) показан период 19 подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания с момента полного закрытия выпускного клапана по циклограмме 12 до начала периода 18 составляющего угол 5-110 градусов по углу положения коленчатого вала перед закрытием впускного клапана 3 по циклограмме 13.

На диаграмме (фиг. 5) показан период 21 подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания, который начинают за период 20 составляющий угол 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия выпускного клапана по циклограмме 12 до начала периода 18 составляющего угол 5-110 градусов по углу положения коленчатого вала до полного закрытия впускного клапана 3 по циклограмме 13.

Способ по п. 1 формулы (фиг. 1) осуществляют следующим образом. Газовое топливо в двигатель внутреннего сгорания подают через форсунки 7 во впускной трубопровод 4, при этом форсунки 7 для впрыска газового топлива, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, используют в качестве активного элемента для эжекции воздуха во впускном трубопроводе 4. Количество форсунок 7 от одной до четырех на каждый цилиндр 1 выбирают из условий обеспечения стехиометрического состава топливовоздушной смеси при коротком периоде впрыска газового топлива в цилиндр 1 двигателя внутреннего сгорания, а также в зависимости от статического (статический расход зависит от диаметра сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр, и перепада давления газового топлива на ней) и динамического расходов (зависит от затяжки пружины клапанной пары форсунки при ее производстве) через форсунку 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1. Газовое топливо подают в период 15 (фиг. 2) открытого состояния впускного клапана 3. Это снижает количество газового топлива во впускном трубопроводе 4, что повышает безопасность работы двигателя внутреннего сгорания, т.к. исключена вероятность «хлопкового» эффекта во впускном трубопроводе 4 из-за отсутствия в ней взрывоопасной смеси топлива и воздуха. Подачу газового топлива через форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр, осуществляют при перепаде давления на ее клапане равном или больше критического, когда число π ≥ π_кр, т.к. достигается максимальная скорость истечения газового топлива из сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, равная скорости звука. При снижении перепада давления газового топлива на клапане форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, пропорционально уменьшается эффект эжекции воздуха с помощью газового топлива, т.к. снижается скорость истечения газового топлива из сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1. Максимальный эффект эжекции воздуха с помощью газового топлива получают при максимальной скорости истечения равной скорости звука. Скорость 5 истечения газового топлива из сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, выше скорости 8 движения воздуха во впускном трубопроводе 4 перед соплом 6 по потоку воздуха форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1. Например, форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, выполняя функцию эжекторного компрессора, впрыскивают газовое топливо на расстоянии L=0,2 м от впускного клапана 3. Возможны два варианта истечения газового топлива из сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1: докритическое (коэффициент X скорости истечения газового топлива из сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, λ<1 и число π=р_вх/р_вых<π_кр, где р_вх - давление газового топлива на входе в форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, р_вых - давление во впускном 4 трубопроводе двигателя внутреннего сгорания, π_кр=1.8 - число при критическом перепаде давлений на клапане форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, для газообразного метана) и критическое или сверхкритическое (λ=1 и π ≥ π_кр). При докритическом истечении газового топлива из сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр, скорость истечения возрастает в зависимости от перепада давления от нуля до скорости звука. При критическом и сверхкритическом истечении в минимальном сечении сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр, возникает скачок уплотнения, при этом коэффициент скорости λ=1, и фактически скорость истечения W_г.т. равна скорости звука в данной среде, например для метана а_зв=430 м/с (при Т_н=293,15 К). Скорость 5 истечения газового топлива, например метана, при критическом или сверхкритическом перепаде давления из сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр, равна скорости 5 звука W_г.т.=430 м/с, а массовое стехиометрическое число 17,24. Максимальная 8 скорость W_{твс.макс} движения топливовоздушной смеси без учета эжекции во впускном трубопроводе 4 перед впускным клапаном 3 при частоте вращения коленчатого вала n=6000 мин^-1 составляет W_{твс.макс}=W_n ⋅ D²_цd²=100 м/с, где W_n=25 м/с - максимальная скорость движения поршня 2, D_ц=80 мм - диаметр цилиндра 1, d=40 мм - внутренний диаметр впускного трубопровода 4, а при n=600 мин^-1 - W_{твс.макс}=10 м/с. Для различных конструкций двигателей внутреннего сгорания средняя интегральная за такт впуска скорость W_и ≈ (0,5-0,7) ⋅ W_{твс.макс} движения топливовоздушной смеси без учета эжекции во впускном трубопроводе 4 перед впускным клапаном 3 при частоте вращения коленчатого вала n=6000 мин^-1 составляет W_и ≈ 60 м/с, а при n=600 мин^-1 - W_и ≈ 6 м/с. Скорость W движения топливовоздушной смеси перед впускным клапаном 3 с учетом эжекции для единичной цикловой подачи топлива определяют из закона сохранения импульса движения в эжекторном компрессоре W=(0,9452 W_и+0,0548 W_г.т.), где: 0,9452 - массовая доля воздуха за такт впуска, 0,0548 - массовая доля метана при одной цикловой подаче. Скорость W движения топливовоздушной смеси перед впускным клапаном 3 с учетом эжекции при частоте вращения коленчатого вала n=6000 мин^-1 составляет W=80,28 м/с, а при n=600 мин^-1 составляет W=29,23 м/с. Подачу газового топлива прекращают за 5-110 градусов - это период 18 (фиг. 3) по положению коленчатого вала до момента полного закрытия впускного клапана 3 (фиг. 1). Угол до момента закрытия впускного клапана 3 для прекращения подачи газового топлива определяют по соотношению: ϕ=(L/W) ⋅ (n ⋅ 360 / 60). Для примера, показанного выше при описании работы п. 1 формулы, угол (период 18 фиг. 3) до момента закрытия впускного клапана 3 для прекращения подачи газового топлива при n=6000 мин^-1 равен 89,69 градуса, а при n=600 мин^-1 - 24,63 градусов по положению коленчатого вала. Это позволяет обеспечить попадание всей цикловой дозы газового топлива из впускного трубопровода 4 в цилиндр 1 двигателя внутреннего сгорания. А это, в свою очередь, повышает надежность работы двигателя внутреннего сгорания, т.к. во впускном трубопроводе не образуется взрывоопасная концентрация газового топлива с воздухом. Повышение скорости топливовоздушной смеси перед впускным клапаном 3 позволяет увеличить наполнение цилиндра 1 двигателя внутреннего сгорания, при этом относительное наполнение цилиндра 1 на малых частотах вращения коленчатого вала возрастает больше, чем на высоких частотах вращения коленчатого вала, а это, в свою очередь, повышает мощность и крутящий момент по сравнению с подачей газового топлива без использования эжекторного компрессора, в качестве которого применены форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1.

Способ по п. 2 (фиг. 3) осуществляют следующим образом. При увеличении частоты вращения коленчатого вала электронный блок управления двигателем внутреннего сгорания управляет изменением угла (периодом 18) прекращением подачи газового топлива до момента закрытия впускного клапана 3 при этом при увеличении частоты вращения коленчатого вала его увеличивают, а при снижении частоты уменьшают. Подачу газового топлива начинают в момент полного закрытия выпускного клапана это начало периода 19 (фиг. 4), т.е. в конце периода 16, при котором одновременно открыты выпускной и впускной 3 клапана. Это устраняет выбросы газового топлива в атмосферу в период 16 продувки цилиндра 1 при одновременно открытых впускном 3 и выпускном клапанов. Управление углом прекращения подачи газового топлива при изменении частоты вращения коленчатого вала позволяет оптимизировать период 17 впрыска газового топлива в цилиндр 1 в зависимости от режима работы двигателя внутреннего сгорания и уменьшить количество топлива во впускном трубопроводе после полного закрытия впускного клапана 3, что повышает безопасность работы двигателя внутреннего сгорания.

Способ по п. 3 (фиг. 5) осуществляют следующим образом. Подачу газового топлива (начало периода 21) начинают за 5-110 градусов (конец период 20 на фиг. 5) по положению коленчатого вала до момента полного закрытия выпускного клапана по циклограмме 12. Это позволяет не увеличивать статический расход через форсунку 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, т.к. увеличение расхода происходит за счет увеличения периода 21 (фиг. 5) впрыска газового топлива по сравнению с периодом 19 (фиг. 4), что оптимизирует расход газового топлива через форсунку 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, и снижает ее габариты. Снижение выбросов газового топлива в период 16 (фиг. 1), при одновременно открытых впускном 3 и выпускном клапанов, осуществляют тем, что подачу газового топлива начинают за 5-110 градусов (конец периода 20 на фиг. 5) по положению коленчатого вала до момента полного закрытия выпускного клапана, при этом газовое топливо не успевает достичь выхода через выпускной клапан и попасть в окружающую атмосферу.

Способ по п. 4 (фиг. 5) осуществляют следующим образом. Угол начала (начало периода 20 фиг. 5) подачи газового топлива, по положению коленчатого вала, увеличивают при возрастании частоты вращения коленчатого вала, а при снижении частоты вращения коленчатого вала уменьшают. Это позволяет оптимизировать статический расход газового топлива через форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, и снизить выбросы газового топлива в период одновременно открытых впускного 3 и выпускного клапанов.

Способ по п. 5 (фиг. 1) осуществляют следующим образом. Газовое топливо подают на расстоянии от 2d до 6d от впускного клапана 3, где d - внутренний диаметр впускного трубопровода 4. Если подавать газовое топливо на расстоянии менее 2d, то ухудшается эффект эжекции воздуха с помощью газового топлива, т.к. газовое топливо не успевает на малом расстоянии до впускного клапана 3 разогнать воздух во впускном трубопроводе 4, при этом газовое топливо при высокой скорости вытесняет воздух из цилиндра 1 двигателя, приводя к ухудшению его наполнения топливовоздушной смесью. При подаче газового топлива на расстояниях более 6d появляется вероятность непопадания части впрыснутого форсунками 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, газового топлива в цилиндр 1 до момента закрытия впускного клапана. Кроме этого будет необходимо увеличивать статический расход форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, чтобы уложиться в период открытого состояния впускного клапана 3, что приведет к утяжелению клапана форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, и увеличению времени ее открытия. Впрыск газового топлива в диапазоне от 2d до 6d от впускного клапана 3, позволяет снизить количество газового топлива во впускном трубопроводе 4 после прекращения его подачи и получения максимальной эффективности эжекции воздуха с помощью газового топлива. Учитывая то, что форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, могут находиться на расстоянии от впускного клапана 2d до 6d, то угол (период 18 фиг. 5) до момента закрытия впускного клапана 3 для различных систем впуска двигателей внутреннего сгорания будет составлять 9,85-107,63 градусов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Это снижает количество газового топлива во впускном трубопроводе 4 после прекращения его подачи и позволяет получить максимальную эффективность эжекции воздуха с помощью газового топлива.

Способ по п. 6 (фиг. 1) осуществляют следующим образом. При увеличении расстояния от сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, подачи газового топлива от 2d до 6d от впускного клапана 3 по центральной оси движения топливовоздушной смеси и при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания от 600 до 6000 мин^-1, пропорционально увеличивают угол прекращения подачи газового топлива в пределах 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия впускного клапана 3 и увеличивают угол начала подачи газового топлива в пределах 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия выпускного клапана. Например, форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, выполняя функцию эжекторного компрессора, впрыскивают газовое топливо на расстоянии L=0,2 м от впускного клапана 3. Возможны два варианта истечения газового топлива из сопла форсунки 7. в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1: докритическое (коэффициент скорости λ<1, и число π=p_вх/p_вых<π_кр, где р_вх - давление газового топлива на входе в форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, р_вых - давление во впускном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания, π_кр=1,8 - число при критическом перепаде давления газового топлива на клапане форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, для газообразного метана) и критическое или сверхкритическое (λ=1, и π ≥ π_кр). При докритическом истечении газового топлива из сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, скорость истечения возрастает в зависимости от перепада давления от нуля до скорости звука. При критическом и сверхкритическом истечении в минимальном сечении сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, возникает скачок уплотнения, и фактически скорость истечения W_г.т. равна скорости звука в данной среде, например для метана а_зв=430 м/с (при Т_н=293,15 К). Скорость 5 истечения газового топлива, например метана, при критическом или сверхкритическом перепаде давления на клапане форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, равна скорости 5 (фиг. 1) звука W_г.т.=430 м/с, а массовое стехиометрическое число 17,24. Максимальная 8 скорость W_{твс.макс} движения топливовоздушной смеси без учета эжекции во впускном трубопроводе 4 перед впускным клапаном 3 при частоте вращения коленчатого вала n = 6000 мин^-1 составляет W_{твс.макс}=W_п ⋅ D²_ц/d²=100 м/с, где W_п=25 м/с - максимальная скорость движения поршня 2, D_ц=80 мм - диаметр цилиндра 1, d=40 мм - внутренний диаметр впускного трубопровода 4, а при частоте вращения коленчатого вала n=600 мин^-1 - примерно W_{твс.макс}=10 м/с. Средняя интегральная за такт впуска скорость W_и ≈ 0,6 ⋅ W_{твс.макс} движения топливовоздушной смеси без учета эжекции во впускном трубопроводе 4 перед впускным клапаном 3 при частоте вращения коленчатого вала n=6000 мин^-1 составляет W_и ≈ 60 м/с, а при n=600 мин^-1 - W_и ≈ 6 м/с. Скорость W движения топливовоздушной смеси перед впускным клапаном 3 с учетом эжекции для единичной цикловой подачи топлива определяют из закона сохранения импульса движения в эжекторном компрессоре W=(0,9452 W_и+0,0548 W_г.т.), где: 0,9452 - массовая доля воздуха за такт впуска, 0,0548 - массовая доля метана за одну цикловую подачу. Скорость W движения топливовоздушной смеси перед впускным клапаном 3 с учетом эжекции при частоте вращения коленчатого вала n=6000 мин^-1 составляет W=80,28 м/с, а при n=600 мин^-1 составляет W=29,23 м/с. Угол (период 18 фиг. 5) до момента закрытия впускного клапана 3 для прекращения подачи газового топлива определяют по соотношению: ϕ=(L/W) ⋅ (n ⋅ 360/60). Для примера, показанного выше при описании работы п. 1 формулы, угол (период 18 фиг. 5) до момента закрытия впускного клапана 3 для прекращения подачи газового топлива при n=6000 мин^-1 равен 89,69 градуса, а при n=600 мин^-1 - 24,63 градусов. Учитывая то, что форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, может находиться на расстоянии от впускного клапана от 2d до 6d, то угол (период 18 фиг. 3) до момента закрытия впускного клапана 3 для различных систем впуска двигателей внутреннего сгорания будет составлять 9,85-107,63 градусов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Изменение угла (период 20 фиг. 5) по положению коленчатого вала начала подачи газового топлива и ее конца (период 18 фиг. 5) при изменении расстояния сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, от впускного клапана 3 позволяет оптимизировать количество газового топлива во впускном трубопроводе 4 после прекращения его подачи для конкретной конструкции двигателя внутреннего сгорания и его систем, что повышает безопасность работы двигателя внутреннего сгорания при получении максимальной эффективности эжекции воздуха с помощью газового топлива.

Способ по п. 7 (фиг. 1) осуществляют следующим образом. При увеличении частоты вращения коленчатого вала и нагрузки (крутящего момента и мощности) двигателя внутреннего сгорания увеличивают число форсунок 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, участвующих в цикловой подаче топлива в каждый цилиндр 1, а при снижении частоты вращения коленчатого вала и нагрузки уменьшают. Количество форсунок 7 от одной до четырех на каждый цилиндр 1 выбирают из условий обеспечения стехиометрического состава топливовоздушной смеси при коротком периоде впрыска газового топлива в цилиндр 1 двигателя внутреннего сгорания, а также в зависимости от статического (статический расход зависит от диаметра сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, и перепада давления газового топлива на ней) и динамического расходов (зависит от затяжки пружины клапанной пары форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, при ее производстве) через форсунку 7. в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1. Например, объемное стехиометрическое число для метана с воздухом составляет 9,53, т.е. в цилиндр 1 двигателя внутреннего сгорания необходимо подать 1 объем метана и 9,53% объема воздуха за период открытого состояния впускного клапана 3. Для обеспечения большой объемной цикловой подачи топлива требуется форсунка 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1. с большим диаметром сопла 6, а это значит, что ее клапан имеет большую массу, что ухудшает динамические характеристики форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1: периоды ее открытия и закрытия. Современные форсунки 7, имеют суммарный период открытия-закрытия от 2 до 4,5 мс, что не позволяет обеспечить цикловую подачу топлива с помощью одной форсунки 7 за такт впуска на мощностных режимах работы двигателя. При частоте вращения коленчатого вала 600 мин^-1 период открытого состояния впускного клапана 3 составляет 60-70 мс. При частоте вращения коленчатого вала 6000 мин^-1 период открытого состояния впускного клапана 3 составляет 6-7 мс, а период цикловой подачи топлива одной форсунки 7 при максимальной нагрузке для различных двигателей внутреннего сгорания составляет от 18 до 25 мс. Поэтому для обеспечения цикловой подачи топлива требуется увеличивать число форсунок 7 от одной до четырех, в зависимости от конструкции двигателя внутреннего сгорания, участвующих в цикловой подаче при увеличении частоты вращения коленчатого вала и при увеличении нагрузки (мощности и крутящего момента) двигателя внутреннего сгорания. Это позволяет повысить наполнение цилиндра 1 топливовоздушной смесью и не начинать впуск топлива на закрытый впускной клапан 3 перед началом такта впуска (до начала циклограммы 13, фиг. 2), а значить во впускном трубопроводе 4 не образуется взрывоопасная смесь, что повышает надежность работы двигателя внутреннего сгорания. При этом обеспечивают полную цикловую подачу топлива за такт впуска,

За счет повышения скорости топливовоздушной смеси перед впускным клапаном 3 увеличивают наполнение цилиндра 1 двигателя внутреннего сгорания, при этом относительное наполнение цилиндра 1 на малых частотах вращения коленчатого вала возрастает больше, чем на высоких частотах вращения коленчатого вала, а это, в свою очередь, повышает мощность и крутящий момент по сравнению с подачей газового топлива без использования эжекторного компрессора, в качестве которого применена топливная форсунка 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1.

За счет снижения количества газового топлива во впускном трубопроводе 4 повышают безопасность работы двигателя внутреннего сгорания, т.к. исключена вероятность «хлопкового» эффекта во впускном трубопроводе 4 из-за отсутствия в ней взрывоопасной смеси топлива и воздуха.

За счет максимальной скорости истечения при критическом или сверхкритическом перепаде давления на клапане форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, достигают максимального эффекта эжекции воздуха с помощью газового топлива.

Управление углом (период 18 фиг. 3) прекращения подачи газового топлива при изменении частоты вращения коленчатого вала позволяет оптимизировать период 17 впрыска газового топлива в цилиндр 1 в зависимости от режима работы двигателя внутреннего сгорания.

За счет оптимального начала подачи газового топлива устраняют его выбросы в атмосферу в период 16 продувки цилиндра 1 при одновременно открытых впускного 3 и выпускного клапанов.

Изменяя угол (период 20 фиг. 5) по положению коленчатого вала начала подачи газового топлива и конца подачи при изменении расстояния сопла 6 форсунки 7, в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр 1, от впускного клапана 3 оптимизируют количество газового топлива во впускном трубопроводе 4 после прекращения его подачи для конкретной конструкции двигателя внутреннего сгорания и его систем, что повышает безопасность работы двигателя внутреннего сгорания при получении максимальной эффективности эжекции воздуха с помощью газового топлива.

Таким образом, изобретением усовершенствован способ подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания, в котором получен эжекционный наддув цилиндра топливовоздушной смесью, а также изменены и оптимизированы моменты начала и конца цикловой подачи газового топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, для получения максимальной мощности и крутящего момента и исключения попадания газового топлива в атмосферу при повышении безопасности работы двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение относится к энергетическому и транспортному машиностроению, в частности к способам подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания. Предложен способ подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания, заключающийся в подаче газового топлива через форсунки в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр во впускной трубопровод двигателя при перепаде давления на клапанах форсунок, равном или больше критического, при этом форсунки для впрыска газового топлива используют в качестве активного элемента для эжекции воздуха во впускном трубопроводе, а газовое топливо подают в период открытого состояния впускного клапана, отличающийся тем, что подачу газового топлива прекращают за 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия впускного клапана. Угол прекращения подачи газового топлива, по положению коленчатого вала, увеличивают при возрастании частоты вращения коленчатого вала, а при снижении частоты вращения коленчатого вала уменьшают. Подачу газового топлива начинают за 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия выпускного клапана. Газовое топливо подают на расстоянии от 2d до 6d от впускного клапана по центральной оси движения топливовоздушной смеси, где d - внутренний диаметр впускного трубопровода. При увеличении частоты вращения коленчатого вала и нагрузки (крутящего момента и мощности) двигателя внутреннего сгорания увеличивают число форсунок от одной до четырех на каждый цилиндр, участвующих в цикловой подаче топлива, а при снижении частоты вращения коленчатого вала и нагрузки уменьшают. За счет повышения скорости топливовоздушной смеси перед впускным клапаном увеличивают наполнение цилиндра двигателя внутреннего сгорания, при этом относительное наполнение цилиндра на малых частотах вращения коленчатого вала возрастает больше, чем на высоких частотах вращения коленчатого вала, а это, в свою очередь, повышает мощность и крутящий момент по сравнению с подачей газового топлива без использования эжекторного компрессора, в качестве которого применена топливная форсунка. За счет снижения количества газового топлива во впускном трубопроводе повышают безопасность работы двигателя внутреннего сгорания, т.к. исключена вероятность «хлопкового» эффекта во впускном трубопроводе из-за отсутствия в ней взрывоопасной смеси топлива и воздуха. За счет максимальной скорости истечения при критическом или сверхкритическом перепаде давления на клапане форсунки достигают максимального эффекта эжекции воздуха с помощью газового топлива. За счет оптимального начала подачи газового топлива устраняют его выбросы в атмосферу в период продувки цилиндра при одновременно открытых впускном и выпускном клапанах. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ подачи газового топлива в двигатель внутреннего сгорания, заключающийся в его подаче через форсунки в количестве от одной до четырех на каждый цилиндр во впускной трубопровод при перепаде давления на их клапанах, равном или больше критического, при этом форсунки для впрыска газового топлива используют в качестве активного элемента для эжекции воздуха во впускном трубопроводе, а газовое топливо подают в период открытого состояния впускного клапана, отличающийся тем, что, подачу газового топлива прекращают за 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия впускного клапана.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что угол прекращения подачи газового топлива по положению коленчатого вала увеличивают при возрастании частоты вращения коленчатого вала, а при снижении частоты вращения коленчатого вала уменьшают.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что подачу газового топлива начинают за 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия выпускного клапана.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что угол начала подачи газового топлива по положению коленчатого вала увеличивают при возрастании частоты вращения коленчатого вала, а при снижении частоты вращения коленчатого вала уменьшают.

5. Способ по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что газовое топливо подают на расстоянии от 2d до 6d от впускного клапана по центральной оси движения топливовоздушной смеси, где d - внутренний диаметр впускного трубопровода.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что при увеличении расстояния подачи газового топлива от 2d до 6d от впускного клапана по центральной оси движения топливовоздушной смеси и при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания пропорционально увеличивают угол прекращения подачи газового топлива в пределах 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия впускного клапана и увеличивают угол начала подачи газового топлива в пределах 5-110 градусов по положению коленчатого вала до момента полного закрытия выпускного клапана.

7. Способ по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что при увеличении частоты вращения коленчатого вала и нагрузки (крутящего момента и мощности) двигателя внутреннего сгорания увеличивают число форсунок от одной до четырех на каждый цилиндр, участвующих в цикловой подаче топлива, а при снижении частоты вращения коленчатого вала и нагрузки уменьшают.