Система імпульсного живлення та наддування двигуна внутрішнього згоряння газовим моторним паливом

Реферат: Винахід належить до систем імпульсного живлення та наддування двигунів внутрішнього згоряння газовим моторним паливом і може бути використана в двигунах із примусовим запалюванням, що працюють на газовому паливі або в газодизелях. Винахід спрямований на підвищення якості живлення двигунів внутрішнього згоряння газовим моторним паливом та їх наддування. Новим в системі імпульсного живлення та наддування двигуна газовим моторним паливом є використання одноступінчатого газового редуктора, газової магістралі середнього тиску, газового фільтра середнього тиску, загальної газової рейки Common Rail середнього тиску та газових імпульсних електромагнітних форсунок середнього тиску, які за рахунок імпульсної подачі газового палива під середнім тиском у кожний впускний патрубок впускного трубопроводу та/або кожний впускний канал головки блока циліндрів забезпечують можливість формування пошарового складу газоповітряної робочої суміші у циліндрі двигуна, а також його наддування без застосування інших додаткових спеціальних пристроїв для наддування. Така система живлення та наддування дозволяє б забезпечити більш повне використання енергії, вже попередньо витраченої на стиснення газового палива, яке зберігається на транспортному засобі у газових балонах під високим тиском. UA 111678 C2 (12) UA 111678 C2 UA 111678 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до систем імпульсного живлення та наддування двигунів внутрішнього згоряння газовим моторним паливом і може бути використаний в двигунах із примусовим запалюванням, що працюють на газовому паливі (природному газі, суміші природного газу з воднем, водні, нафтовому газі тощо) або в газодизелях. Відомо, що одним із сучасних способів живлення двигунів внутрішнього згоряння газовим моторним паливом є використання акумулятивної паливної системи впорскування газового палива типа Common Rail. У цій системі впорскування газового палива до впускного трубопроводу двигуна здійснюється за допомогою газових електромагнітних форсунок низького тиску, які з'єднані між собою загальною газовою рейкою (Common Rail) низького тиску. При цьому двоступеневий газовий редуктор підтримує тиск газу на загальній газовій рейці (Common 2 Rail) в межах від 0,10 до 0,25 МПа (1,0-2,5 кгс/см ), а спеціальний електронний блок керування розраховує момент та тривалість відкриття газових форсунок низького тиску [низький тиск - це 2 2 тиск в межах від 20 кПа до 450 кПа (0,2 кгс/см -4,5 кгс/см ) згідно з класифікацією Правил СЕК ООН № 110-01 "Єдині технічні приписи щодо офіційного затвердження: І. Елементів спеціального обладнання автотранспортних засобів, двигуни яких працюють на компримованому природному газі (КПГ); II. Транспортних засобів стосовно установлення елементів спеціального обладнання офіційно затвердженого типу для використання в їхніх двигунах компримованого природного газу (КПГ)»]. Таким чином, у таких системах живлення двигунів внутрішнього згоряння газовим моторним паливом кожна газова форсунка низького тиску відкривається у певний момент кута повороту колінчастого вала, а величина циклової подачі газу визначається тривалістю лише одного відкриття газової форсунки. Недоліком такої конструкції є відсутність можливості формування пошарового складу газоповітряної робочої суміші у циліндрі двигуна, а також створення наддування двигуна за рахунок енергії стисненого газу. Крім того, відомо, що одним із способів підвищення потужності двигунів внутрішнього згоряння є попереднє стиснення повітря перед надходженням його до циліндрів двигуна, тобто так зване наддування двигунів (Автомобильный справочник. Перевод с англ. Первое русское издание. -М.: Издательство "За рулем", 2000. - 896 с). До основних способів наддування двигунів належать: динамічне наддування, механічне наддування, турбонаддування з використанням енергії відпрацьованих газів та наддування, що використовує енергію хвиль стиснення. До динамічного способу наддування двигунів належать наступні способи: інерційне наддування; наддування з використанням спеціально налаштованих впускних каналів; наддування, що використовує впускний трубопровід із змінною геометрією. Головним недоліком систем динамічного наддування двигунів є суттєве ускладнення конструкції та збільшення розмірів системи живлення двигуна повітрям, що потребує додаткове місце поруч з двигуном. При механічному наддуванні нагнітач приводиться в дію безпосередньо від двигуна через прискорювальну передачу. Головним недоліком цих систем наддуванняє те, що наддування двигуна здійснюється за рахунок затрат потужності самого двигуна, яке веде до додаткових витрат палива. В конструкції систем із турбонаддуванням двигунів з використанням енергії відпрацьованих газів, привід турбіни здійснюється за рахунок енергії відпрацьованих газів. Турбіна забезпечує перетворення цієї енергії в механічну роботу, що дає можливість компресору стискати повітря перед впуском його до циліндрів двигуна. Але для зменшення температури стисненого повітря, його зазвичай пропускають через додатковий проміжний охолоджувач. Головними недоліками таких систем наддування є те, що турбокомпресори, внаслідок роботи з відпрацьованими газами, що мають високу температуру, повинні бути виготовлені із застосуванням термостійких дорогих матеріалів. До того ж, для розміщення поруч з двигуном самого турбокомпресора разом з проміжним охолоджувачем та подовженими впускним та випускних трубопроводами, потребує додаткове місце. Конструкція систем наддування двигунів, що використовують енергію хвиль стиснення, передбачає наявність нагнітача (хвильового обмінника), який має ротор сполучений з одного боку з повітрям, а з іншого з відпрацьованими газами. Усередині ротора, який механічно обертається безпосередньо від двигуна, стиснення повітря здійснюється за рахунок передачі хвилі тиску від енергії відпрацьованих газів до стискуваного повітря. Головними недоліками таких систем наддування є те, що розміщення поруч з двигуном самого хвильового обмінника разом з подовженими впускним та випускних трубопроводами, потребують додаткове місце, а сам хвильовий обмінник - є джерелом додаткового шуму. В основу винаходу поставлена задача створити систему імпульсного живлення та наддування двигунів внутрішнього згоряння газовим моторним паливом, що за рахунок нових 1 UA 111678 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 конструктивних елементів і зв'язків між ними дозволила б забезпечити можливість формування пошарового складу газоповітряної робочої суміші у циліндрі двигуна, а також його наддування, яке створюється у результаті імпульсної подачі газового палива під середнім тиском у впускний патрубок впускного трубопроводу та/або впускний канал головки блока циліндрів газовими імпульсними електромагнітними форсунками середнього тиску [середній тиск - це тиск в межах 2 2 від 450 кПа до 3000 кПа (4,5 кгс/см -30 кгс/см ) згідно з класифікацією Правил ЄЕК ООН № 11001]. Крім того, така система живлення та наддування (без застосування інших додаткових спеціальних пристроїв для наддуву) дозволила б забезпечити більш повне використання 2 енергії, вже витраченої на стиснення до 19,6 МПа (200 кгс/см ) природного газу, яким заправлять газові балони транспортних засобів. Поставлена задача вирішується тим, що система імпульсного живлення та наддування двигуна внутрішнього згоряння газовим моторним паливом, що включає газовий балон(ни) з балонним вентилем, який містить запірний механічний та електромагнітний газовий клапани, газову магістраль високого тиску, розподільну хрестовину із заправним вузлом та запірним електромагнітним газовим клапаном, електронний блок керування, згідно з винаходом, система додатково обладнана одноступінчатим газовим редуктором, газовою магістраллю середнього тиску, газовим фільтром середнього тиску, загальною газовою рейкою (Common Rail) середнього тиску та газовою імпульсною електромагнітною форсункою середнього тиску, яка виконана з можливістю подачі одного або більше імпульсів газового моторного палива середнього тиску безпосередньо у впускний патрубок впускного трубопроводу. Крім того, газова імпульсна електромагнітна форсунка середнього тиску виконана з можливістю подачі одного або більше імпульсів газового моторного палива середнього тиску безпосередньо у впускний канал головки блока циліндрів двигуна. Крім того, газова імпульсна електромагнітна форсунка середнього тиску виконана з можливістю подачі одного або більше імпульсів газового моторного палива середнього тиску безпосередньо у один із двох впускних каналів головки блока циліндрів двигуна. Крім того, кожна із двох газових імпульсних електромагнітних форсунок середнього тиску виконані з можливістю подачі одного або більше імпульсів газового моторного палива середнього тиску безпосередньо у кожний із двох впускних каналів головки блока циліндрів двигуна. Крім того, більше, ніж одна газова імпульсна електромагнітна форсунка середнього тиску виконана з можливістю подачі газового моторного палива середнього тиску до кожного впускного патрубка впускного трубопроводу та/або впускного каналу головки блока циліндрів двигуна внутрішнього згоряння. Крім того, електронний блок керування виконано з можливістю розрахунку початку моментів та кількості і тривалості імпульсів подачі газового палива газовою імпульсною електромагнітною форсункою. На Фіг. 1 представлена кінематична схема системи імпульсного живлення двигуна внутрішнього згоряння газовим моторним паливом та наддування із газовою імпульсною електромагнітною форсункою середнього тиску, встановленою у впускному патрубку впускного трубопроводу, а на Фіг. 2 із газовою імпульсною електромагнітною форсункою середнього тиску, встановленою у впускному каналі головки блока циліндрів. Двигун внутрішнього згоряння 1 має камеру згоряння 2, свічку запалювання 3 (для двигунів з примусовим запалюванням) або дизельну форсунку (для газодизелів), впускний канал 4 головки блока циліндрів 5 та впускний патрубок 6 впускного трубопроводу, впускний клапан 7, випускний клапан 8. До складу системи імпульсного живлення газовим моторним паливом та наддування для двигуна внутрішнього згоряння 1 входять: газовий(-і) балон(-и) 9 з балонним вентилем 10, що містить запірний механічний 11 та електромагнітний газовий клапани 12, газова магістраль високого тиску 13, розподільна хрестовина 14 із заправним вузлом 15 та запірним електромагнітним газовим клапаном 16, одноступінчатий газовий редуктор 17 з електромагнітним клапаном 18, газовий фільтр середнього тиску 19, газова магістраль середнього тиску 20, загальна газова рейка (Common Rail) 21 середнього тиску та газова імпульсна електромагнітна форсунка середнього тиску 22. Між розподільною хрестовиною 14 та газовим редуктором 17 встановлено датчик тиску газу або покажчик кількості газу 23 у газовому(-их) балоні(-ах) 17. Електронний блок керування 24 з мікроконтролером(ами) або інший орган керування має електричний зв'язок з запірними електромагнітними газовими клапанами 12 та 16, електромагнітним клапаном 18 газового редуктора 17, газовою імпульсною електромагнітною 2 UA 111678 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 форсункою середнього тиску 22, датчиком тиску газу або покажчиком кількості газу 23 у газовому(-их) балоні(-ах) 9. При цьому газова імпульсна електромагнітна форсунка середнього тиску 22 може бути встановлена або у впускному патрубку 6 впускного трубопроводу (як показано на Фіг. 1), або у впускному каналі 4 головки блока циліндрів 5 (як показано на Фіг. 2). Працює система у такий спосіб. На початку роботи двигуна внутрішнього згоряння 1 електронний блок керування 24 подає сигнал до запірних електромагнітних газових клапанів 12, 16 та 18, які відкриваються, пропускаючи газове паливо від газового балона(ів) 9 до одноступінчатого газового редуктора 17, фільтра 19, загальної газової рейки (Common Rail) середнього тиску 21 та до газової імпульсної електромагнітної форсунки середнього тиску 22. При цьому одноступінчатий газовий редуктор 17 через газову магістраль середнього тиску 20 стабілізує та забезпечує середній тиск газу на загальній газовій рейці (Common Rail) середнього тиску 21 і на вході до газової імпульсної електромагнітної форсунки середнього тиску 22. Електронний блок керування 24 або інший орган керування розраховує початок моментів, кількість та тривалість імпульсів подачі (впорскування) газового палива газовою імпульсною електромагнітною форсункою середнього тиску 22. За результатами розрахунків спеціальний електронний блок керування 24 або інший орган керування при відкритому впускному клапані 7 та закритому випускному клапані 8, у відповідні (по куту обертання колінчастого вала двигуна) моменти подає сигнали керування щодо кількості і тривалості імпульсів подачі (впорскування) газового палива газовою імпульсною електромагнітною форсункою середнього тиску 9. В результаті газова імпульсна електромагнітна форсунка середнього тиску 9, залежно від місця де вона встановлена, короткочасними імпульсами під середнім тиском впорскує газове паливо або до випускного патрубка 6 впускного трубопроводу (після об'єднуючої труби впускного колектора, яка на Фіг. 1 не показана), або до впускного каналу 4 головки блока циліндра 5 (як показано на Фіг. 2). Внаслідок імпульсного впорскування газового палива під середнім тиском у випускному патрубку 6 та/або впускному каналі 4 утворюються зони газового палива підвищеного тиску, які рухаються з підвищеною швидкістю, відносно до швидкості всмоктуваного двигуном повітря, і тим самим стискають повітря, що знаходиться попереду першої зони або між цими зонами. Таким чином, середній тиск газоповітряної суміші у випускному патрубку 6 та/або впускному каналі 4 підвищується, створюється ефект наддування, і у камеру згоряння 2 двигуна 1 надходить пошарово сформована газоповітряна суміш, яка запалюється свічкою запалювання 3 (для двигунів з примусовим запалюванням) або дизельною форсункою (для газодизелів). Крім того, за наявності двох впускних каналів на один циліндр, газова імпульсна електромагнітна форсунка середнього тиску може бути встановлена в одному із двох впускних каналів головки блока циліндрів двигуна або в кожному. Також, до кожного впускного патрубка впускного трубопроводу та/або впускного каналу головки блока циліндрів двигуна внутрішнього згоряння газове моторне паливо може подаватися більше, ніж від однієї газової імпульсної електромагнітної форсунки середнього тиску. До того ж, за рахунок зміни кількості імпульсів впорскування газового палива під середнім тиском, замість пошарової газоповітряної суміші, може бути утворена гомогенна газоповітряна суміш або гомогенно-збіднена газоповітряна суміш. Застосування запропонованої системи імпульсного живлення та наддування двигунів внутрішнього згоряння газовим моторним паливом дозволяє сформувати у циліндрах двигунів як пошарову газоповітряну суміш, так і інші види сумішей (наприклад гомогенну або гомогеннозбіднену суміш), а також забезпечити наддування двигунів без застосування інших додаткових спеціальних пристроїв для наддуву, таких як механічні нагнітачі, турбонагнітачі тощо, що приведе до зменшення вартості двигунів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Система імпульсного живлення та наддування двигуна внутрішнього згоряння газовим моторним паливом, що включає газовий балон(ни) з балонним вентилем, який містить запірний механічний та електромагнітний газовий клапани, газову магістраль високого тиску, розподільну хрестовину із заправним вузлом та запірним електромагнітним газовим клапаном, електронний блок керування, яка відрізняється тим, що система додатково обладнана одноступінчатим газовим редуктором, газовою магістраллю середнього тиску, газовим фільтром середнього тиску, загальною газовою рейкою Common Rail середнього тиску та газовою імпульсною 3 UA 111678 C2 5 10 15 20 25 електромагнітною форсункою середнього тиску, яка виконана з можливістю подачі одного або більше імпульсів газового моторного палива середнього тиску безпосередньо у впускний патрубок впускного трубопроводу. 2. Система імпульсного живлення двигуна внутрішнього згоряння газовим моторним паливом та наддування за п. 1, яка відрізняється тим, що газова імпульсна електромагнітна форсунка середнього тиску виконана з можливістю подачі одного або більше імпульсів газового моторного палива середнього тиску безпосередньо у впускний канал головки блока циліндрів двигуна. 3. Система імпульсного живлення двигуна внутрішнього згоряння газовим моторним паливом та наддування за п. 1, яка відрізняється тим, що газова імпульсна електромагнітна форсунка середнього тиску виконана з можливістю подачі одного або більше імпульсів газового моторного палива середнього тиску безпосередньо у один із двох впускних каналів головки блока циліндрів двигуна. 4. Система імпульсного живлення двигуна внутрішнього згоряння газовим моторним паливом та наддування за п. 1, яка відрізняється тим, що кожна із двох газових імпульсних електромагнітних форсунок середнього тиску виконані з можливістю подачі одного або більше імпульсів газового моторного палива середнього тиску безпосередньо у кожний із двох впускних каналів головки блока циліндрів двигуна. 5. Система імпульсного живлення двигуна внутрішнього згоряння газовим моторним паливом та наддування за п. 1, яка відрізняється тим, що більше ніж одна газова імпульсна електромагнітна форсунка середнього тиску виконані з можливістю подачі газового моторного палива середнього тиску до кожного впускного патрубка впускного трубопроводу та/або впускного каналу головки блока циліндрів двигуна внутрішнього згоряння. 6. Система імпульсного живлення двигуна внутрішнього згоряння газовим моторним паливом та наддування за п. 1, яка відрізняється тим, що електронний блок керування виконано з можливістю розрахунку початку моментів та кількості і тривалості імпульсів подачі газового палива газовою імпульсною електромагнітною форсункою. 4 UA 111678 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5