Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе и способ управления двигателем внутреннего сгорания на газовом топливе

Авторы патента:

СИНАГАВА Томохиро (JP)

СУДЗУКИ Макото (JP)

F02M21/02 - газообразным топливом (устройства для испарения топлива путем подогрева F02M 31/00; двигатели с устройствами, генерирующими газ из твердого топлива, например из дерева F02B 43/08)

F02D19/02 - работающих на газообразном топливе (устройства для смешивания газа и воздуха и для регулирования смешивания F02M)

Владельцы патента RU 2411386:

ТОЙОТА ДЗИДОСЯ КАБУСИКИ КАЙСЯ (JP)

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания. В двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе устройство (16; 60, 62; 64; 66) зажигания размещено по направлению потока газового топлива, впрыснутого через клапан (40) впрыска в камеру (10) сгорания. Устройство зажигания может непосредственно поджечь поток топлива и управляющий блок (70), предназначенный для управления временем срабатывания устройства (16; 60, 62; 64; 66) зажигания и временем срабатывания клапана (40) впрыска в цилиндр с целью осуществления изменения посредством этого типов сжигания газового топлива, впрыскиваемого через клапан впрыска в цилиндр, между сжиганием предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси и диффузионным сжиганием, при этом управляющий блок (70) выбирает в качестве режима работы двигателя работу на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси для предварительного смешивания и сжигания газового топлива при бедном отношении количества воздуха к количеству топлива, когда двигатель работает в заданной рабочей области, и выбирает в качестве режима работы двигателя диффузионное сжигание для диффузионного сжигания газового топлива, когда двигатель работает в области более высоких нагрузок, чем заданная рабочая область. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента полезного действия и понижение уровня выхлопа от области низких нагрузок до области высоких нагрузок. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 36 ил.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к газовому двигателю внутреннего сгорания, работающему на газовом топливе типа водорода или ему подобном.

2. Уровень техники

[0002] Как, например, указывается в заявке на патент Японии №JP-А-6-88542, в двигателе внутреннего сгорания в качестве газового топлива может быть использован водород. Водород имеет диапазон воспламеняемости 4-75% по объему и его легко поджечь даже в очень бедной воздушно-топливной смеси, имеющей значение коэффициента избытка воздуха λ не меньше чем примерно 4. Следовательно, если водород используется в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, можно получить мощность даже при очень низком воздушно-топливном соотношении, что позволяет реализовать так называемую «работу на сверхбедной смеси».

[0003] При работе на сверхбедной смеси можно полностью открыть дроссельную заслонку, благодаря чему уменьшаются потери при перекачивании топлива и уменьшается температура сгорания, что, в свою очередь, ведет к уменьшению потерь при охлаждении. Такое уменьшение потерь при перекачивании и потерь при охлаждении повышает коэффициент полезного действия двигателя, благодаря чему двигатель может работать с высокой экономичностью и эффективностью. Кроме того, снижение температуры сгорания помогает уменьшить выбросы NO_x в окружающую среду, а использование водорода позволяет устранить выделение CO₂ и СО. Это означает, что при работе на сверхбедной смеси с использованием водорода в качестве топлива может быть реализован практически нулевой выброс загрязняющих веществ в окружающую среду.

[0004] Однако реализовать работу на сверхбедной смеси с использованием водорода в качестве топлива в области высоких нагрузок сложно, поскольку, чтобы выдать выходную мощность, необходимую для работы, количество водородного топлива в области высоких нагрузок следует увеличивать, но имеется ограничение по количеству воздуха на впуске, который можно подать для этой цели. По этой причине для работы в области высоких нагрузок не хватает воздуха на входе, необходимого для данного количества водорода, из-за чего невозможно поддерживать требуемое соотношение воздуха и топлива в сжигаемой сверхбедной смеси.

[0005] Соотношение компонентов топливной смеси сильно влияет на коэффициент полезного действия и снижение токсичности выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. На фиг.32 показано влияние коэффициента λ избытка воздуха на термический к.п.д. и потери при охлаждении двигателя внутреннего сгорания, где ось Х служит для отображения коэффициента λ избытка воздуха, а ось Y - термического к.п.д. и потерь при охлаждении. Как показано на графике, потери при охлаждении возрастают с уменьшением коэффициента λ избытка воздуха. В частности, потери при охлаждении резко возрастают, если коэффициент λ избытка воздуха становится меньше 2. Как следствие, термический к.п.д. двигателя внутреннего сгорания достигает максимума, когда коэффициент λ избытка воздуха равен примерно 2, и затем постепенно уменьшается в области, где λ меньше 2.

[0006] На фиг.33 представлены графики, показывающие изменение объема выбросов NO_x в зависимости от коэффициента λ избытка воздуха в случаях, когда в качестве топлива используются водород и бензин, соответственно, где по оси Х откладывается коэффициент λ избытка воздуха, а по оси Y - объем выбросов NO_x в окружающую среду. Как можно видеть на графиках, в случае использования в качестве топлива водорода объем выбросов NO_x почти равен нулю, если коэффициент λ избытка воздуха больше 2. Однако, если коэффициент λ избытка воздуха меньше 2, объем выбросов NO_x при использовании водорода в качестве топлива резко возрастает до значения, большего, чем объем выбросов NO_x при использовании в качестве топлива бензина.

[0007] Как было отмечено выше, двигатель внутреннего сгорания на водородном топливе (водородный двигатель внутреннего сгорания), по существу, способен работать с высоким коэффициентом полезного действия и низким уровнем выбросов до тех пор, пока значение коэффициента λ избытка воздуха поддерживается больше 2. Но коэффициент его полезного действия падает и резко возрастает объем выбросов NO_x, если значение коэффициента λ избытка воздуха становится меньше 2. Это происходит в связи с тем, что скорость сгорания водорода в несколько раз выше (чуть меньше, чем в десять раз), чем скорость сгорания углеводородного топлива, такого как бензин и т.п., а также в связи с тем, что сгорание происходит еще быстрее, когда отношение количества воздуха к количеству топлива приближается к стехиометрическому отношению (скажем, λ=1). На фиг.34 представлены графики, соответствующие изменению интенсивности теплообразования в зависимости от угла поворота коленчатого вала при λ=1 и λ=2, соответственно, где по оси Х отложен угол поворота коленчатого вала, а по оси Y - интенсивность тепловыделения. Как показано на этих графиках, интенсивность тепловыделения плавно возрастает и имеет низкое пиковое значение при λ=2. С другой стороны, при λ=1 интенсивность теплообразования резко возрастает и имеет более высокое пиковое значение. Сгорание воздушно-топливной смеси в камере сгорания с повышением пика интенсивности теплообразования происходит очень быстро и бурно.

[0008] Такое быстрое сгорание ведет к увеличению температуры сгорания в камере сгорания. Следовательно, потери при охлаждении и объем выбросов NO_x стремительно повышаются, как указано выше. Кроме того, на практике скорость роста давления внутри цилиндра становится весьма высокой, поэтому заметно возрастает шум пламени и износ корпуса двигателя. Эти факторы создают сложности для обычного водородного двигателя внутреннего сгорания при работе в режиме длительных высоких нагрузок.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] В настоящем изобретении предложен двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе, работающий с высоким коэффициентом полезного действия и низким уровнем выхлопа в широком рабочем диапазоне от области низких нагрузок до области высоких нагрузок, а также способ его регулирования.

[0010] Указанные преимущества достигаются тем, что двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе работает на газовом водороде в качестве газового топлива.

[0011] Кроме того, двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе включает клапан впрыска в цилиндр, предназначенный для впрыска газового топлива непосредственно в камеру сгорания; устройство зажигания, размещенное по направлению потока газового топлива, впрыснутого через клапан впрыска в цилиндр; и управляющий блок, предназначенный для управления временем срабатывания устройства зажигания и временем срабатывания клапана впрыска в цилиндр с целью осуществления изменения посредством этого типов сжигания газового топлива, впрыскиваемого через клапан впрыска в цилиндр, между сжиганием предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси и диффузионным сжиганием, указанный двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе характеризуется тем, что управляющий блок вычисляет коэффициент избытка воздуха на основании количества подаваемого водорода и количества воздуха на впуске; и управляющий блок выбирает в качестве режима работы двигателя внутреннего сгорания работу на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси для предварительного смешивания и сжигания газового топлива при бедном отношении количества воздуха к количеству топлива, когда двигатель внутреннего сгорания работает в рабочей области, где значение коэффициента избытка воздуха может поддерживаться в основном равным или больше 2 и выбирает в качестве режима работы двигателя внутреннего сгорания диффузионное сжигание для диффузионного сжигания газового топлива, когда двигатель внутреннего сгорания работает в рабочей области, где значение коэффициента избытка воздуха не может поддерживаться в основном равным или больше 2.

[0012] А также тем, что двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе дополнительно содержит средство получения коэффициента избытка воздуха, при этом управляющий блок во время работы на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси изменяет режим работы двигателя внутреннего сгорания на режим диффузионного сжигания, когда коэффициент избытка воздуха имеет значение ниже заданного порогового значения.

[0013] Кроме того, тем, что двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе дополнительно содержит средство для получения данных о скорости роста давления в цилиндре, при этом управляющий блок во время работы на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси изменяет режим работы двигателя на режим диффузионного сжигания, когда коэффициент избытка воздуха имеет значение выше заданного порогового значения.

[0014] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе во время выполнения диффузионного сжигания управляющий блок активирует устройство зажигания, когда газовое топливо впрыскивается через клапан впрыска в цилиндр.

[0015] Кроме того, тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе во время выполнения диффузионного сжигания управляющий блок устанавливает длительность интервала впрыска так, чтобы он перекрывал период от момента времени перед верхней мертвой точкой на такте сжатия до момента времени после верхней мертвой точки на такте сжатия, и активизирует устройство зажигания в основном одновременно с началом впрыска газового топлива.

[0016] Также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе во время выполнения диффузионного сжигания топлива управляющий блок предварительно впрыскивает часть газового топлива, при этом объем газового топлива, впрыскиваемого предварительно, определяется требуемой нагрузкой, и выполняет основное впрыскивание для диффузионного сжигания в газовой среде, в которой предварительно впрыснутое газовое топливо смешано с воздухом.

[0017] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе управляющий блок активирует устройство зажигания после выполнения предварительного впрыска, но перед основным впрыском.

[0018] Кроме того тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе управляющий блок выполняет предварительное впрыскивание на участке высоких нагрузок рабочей области, где выполняется операция диффузионного сжигания.

[0019] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе во время диффузионного сжигания управляющий блок дополнительно активирует устройство зажигания в ходе впрыска газового топлива в зависимости от периода впрыска газового топлива.

[0020] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе управляющий блок увеличивает частоту активизации устройства зажигания шаг за шагом в зависимости от периода впрыска газового топлива.

[0021] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе устройство зажигания расположено в самой верхней части камеры сгорания; и клапан впрыска в цилиндр расположен на боковой стороне камеры сгорания таким образом, что отверстие для впрыска клапана впрыска в цилиндр ориентировано так, чтобы газовое топливо впрыскивалось по направлению к устройству зажигания.

[0022] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе устройство зажигания и клапан впрыска в цилиндр расположены в самой верхней части камеры сгорания; и отверстие для впрыска клапана впрыска в цилиндр ориентировано так, чтобы поток газового топлива проходил мимо конца устройства зажигания.

[0023] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе несколько устройств зажигания размещено вдоль пути потока газового топлива, впрыснутого через клапан впрыска в цилиндр; и когда выполняется диффузионное сжигание, управляющий блок активирует несколько устройств зажигания одновременно или последовательно с разностью фаз в порядке изменения расстояния от наименьшего до наибольшего по отношению к клапану впрыска в цилиндр.

[0024] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе клапан впрыска в цилиндр сконфигурирован с целью впрыскивания газового топлива в нескольких направлениях, а каждое устройство зажигания из нескольких устройств зажигания сориентировано в соответствующем направлении впрыска клапана впрыска в цилиндр.

[0025] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе несколько устройств зажигания расположено в основном на равном расстоянии от конца клапана впрыска в цилиндр.

[0026] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе клапан впрыска в цилиндр расположен в центре самой верхней части камеры сгорания; одно из устройств зажигания расположено непосредственно рядом с клапаном впрыска в цилиндр со смещением; и несколько устройств зажигания размещено вдоль воображаемой окружности, центр которой совпадает с центральной осью клапана впрыска в цилиндр.

[0027] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе управляющий блок обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска в цилиндр до закрытия впускного клапана в области низких нагрузок рабочей области, где реализуется режим сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси, и обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска в цилиндр сразу после закрытия впускного клапана на участке высоких нагрузок рабочей области, где реализуется режим сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси.

[0028] Кроме того, тем, что двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе дополнительно содержит клапан впрыска во впускной канал, предназначенный для впрыска газового топлива во впускной канал, при этом управляющий блок обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска во впускной канал до закрытия впускного клапана на участке низких нагрузок рабочей области, где реализуется режим сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси, и обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска в цилиндр сразу после закрытия впускного клапана на участке высоких нагрузок рабочей области.

[0029] А также тем, что в двигателе внутреннего сгорания на газовом топливе управляющий блок обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска в цилиндр во время такта сжатия так, что газовое топливо может быть подвергнуто послойному сжиганию на участке низких нагрузок рабочей области, где выполняется операция сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси, и обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска в цилиндр во время такта сжатия или в начале такта сжатия так, что газовое топливо может быть подвергнуто гомогенному сжиганию в рабочей области над участком низких нагрузок.

[0030] Благодаря расположению устройства зажигания по направлению потока газового топлива устройство зажигания может осуществлять зажигание непосредственно потока газового топлива. Диффузионное сжигание газового топлива может выполняться посредством последовательного впрыска газового топлива в пламя (запальное пламя), созданное в результате зажигания. Сжигание предварительно перемешенной смеси также может выполняться посредством зажигания воздушно-топливной смеси после того, как впрыснутое через клапан впрыска в цилиндр газовое топливо достаточно перемешается с воздухом.

[0031] Также предложен способ управления двигателем внутреннего сгорания на газовом топливе, способным работать на газовом топливе, включающим клапан впрыска в цилиндр, через который газовое топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания; устройство зажигания, расположенное по ходу потока газового топлива, впрыскиваемого через клапан впрыска в цилиндр.

[0032] Способ управления двигателем внутреннего сгорания на газовом топливе, работающим на газовом водороде в качестве газового топлива, включающим клапан впрыска в цилиндр, предназначенный для впрыска газового топлива непосредственно в камеру сгорания, и устройство зажигания, расположенное вдоль пути потока газового топлива, впрыскиваемого через клапан впрыска в цилиндр.

[0033] Способ включает управление временем срабатывания устройства зажигания и временем срабатывания клапана впрыска в цилиндр с целью осуществления изменения посредством этого типов сжигания газового топлива, впрыскиваемого через клапан впрыска в цилиндр, между сжиганием предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси и диффузионным сжиганием, и вычисление коэффициента избытка воздуха на основании количества подаваемого водорода и количества воздуха на впуске, при этом в качестве режима работы двигателя внутреннего сгорания выбирается работа на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси для предварительного смешивания и сжигания газового топлива при бедном отношении количества воздуха к количеству топлива, когда двигатель внутреннего сгорания работает в рабочей области, где значение коэффициента избытка воздуха может поддерживаться в основном равным или больше 2, и выбирается диффузионное сжигание для диффузионного сжигания газового топлива, когда двигатель внутреннего сгорания работает в рабочей области, где значение коэффициента избытка воздуха не может поддерживаться в основном равным или больше 2.

[0034] Способ управления включает шаг по регулированию времени срабатывания устройства зажигания и времени срабатывания клапана впрыска в цилиндр с целью осуществления перехода между режимом работы на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси или режимом диффузионного сжигания в зависимости от газового топлива, впрыскиваемого через инжекционный клапан цилиндра.

[0035] Режим работы на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси для предварительного смешивания и сжигания газового топлива выбирается при низком отношении количества воздуха к количеству топлива, когда двигатель внутреннего сгорания работает в заданной рабочей области, а режим диффузионного сжигания для диффузионного сжигания газового топлива выбирается, когда двигатель внутреннего сгорания работает в области более высоких нагрузок, чем заданная рабочая область.

[0036] В соответствии с настоящим изобретением, когда двигатель внутреннего сгорания начинает работать в области высоких нагрузок, происходит переход из режима работы на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси в режим работы на распыленной топливной смеси. Это позволяет осуществлять постепенное сжигание газообразного топлива и избежать принудительного сжигания, которое в противном случае могло бы произойти, поскольку соотношение компонентов воздушно-топливной смеси приближается к стехиометрическому отношению. Благодаря отсутствию принудительного сжигания предотвращается повышение температуры в цилиндре, увеличение потерь при охлаждении и объема выбросов NO_x. Таким образом, высокий коэффициент полезного действия и низкие выбросы в окружающую среду могут быть достигнуты в широкой рабочей области двигателя благодаря реализации операции сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси в области низких или средних рабочих нагрузок и осуществления операции диффузионного сжигания в области высоких нагрузок.

[0037] В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения использование водорода в качестве газообразного топлива позволяет избежать выделения CO₂ и СО, что приводит к полностью нулевому выхлопу. По своей природе водород сгорает с большой скоростью, поэтому, когда соотношение компонентов воздушно-топливной смеси приближается к стехиометрическому отношению, сгорание водорода происходит быстро и бурно. Несмотря на это, переход двигателя внутреннего сгорания в режим работы на распыленной топливной смеси в области высоких нагрузок предотвращает уменьшение коэффициента полезного действия двигателя и увеличение токсичности выхлопа, что в противном случае могло бы произойти в результате быстрого сжигания.

[0038] Более конкретно, если значение коэффициента избытка воздуха меньше 2, сгорание водорода начинает происходить быстрее, что при работе на бедной предварительно перемешанной топливной смеси приводит к заметному уменьшению коэффициента полезного действия и увеличению токсичности выхлопа. В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения операция сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси реализуется в рабочей области, в которой значение коэффициента избытка воздуха может поддерживаться, по существу, равным или больше 2. Это делает возможным достижение высокого коэффициента полезного действия и низкой токсичности выхлопа в широкой рабочей области двигателя внутреннего сгорания: от области низких нагрузок до области высоких нагрузок.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0039] Изложенные выше и другие цели и особенности настоящего изобретения будут более понятны из последующего подробного описания настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

На фиг.1 представлена схема водородного двигателя в соответствии с первым предпочтительным примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.2 - увеличенный вид, иллюстрирующий конфигурацию окружения камеры сгорания водородного двигателя, показанного на фиг.1;

На фиг.3 - увеличенный вид, иллюстрирующий одну из модификаций конфигурации окружения камеры сгорания водородного двигателя, показанного на фиг.1;

На фиг.4 - диаграмма, используемая при выборе режима работы двигателя для водородного двигателя в соответствии с первым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.5 - временная диаграмма, отображающая установку момента впрыска по отношению к сигналу давления в цилиндре во время работы при сжигании гомогенизированной бедной водородной смеси в соответствии с первым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.6 - временная диаграмма, отображающая установку момента впрыска и момента зажигания по отношению к сигналу давления в цилиндре во время операции диффузионного сжигания водородного топлива с помощью свечи зажигания в соответствии с первым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.7 - блок-схема, иллюстрирующая последовательность действий, используемую при переходе с одного режима работы водородного двигателя на другой в соответствии с первым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.8 - график, на котором показано изменение давления в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала водородного двигателя, показанного на фиг.1;

На фиг.9 - график, на котором показано изменение интенсивности теплообразования в зависимости от угла поворота коленчатого вала водородного двигателя, показанного на фиг.1;

На фиг.10 - график, на котором показана взаимосвязь между коэффициентом λ избытка воздуха и практическим термическим к.п.д. в водородном двигателе, показанном на фиг.1, в зависимости от режима работы;

На фиг.11 - график, на котором показана взаимосвязь между коэффициентом λ избытка воздуха и количеством выбросов NO_x в водородном двигателе, показанном на фиг 1, в зависимости от режима работы;

На фиг.12 - график, на котором показана взаимосвязь между нагрузкой двигателя и практическим термическим к.п.д. в водородном двигателе, показанном на фиг.1, в зависимости от режима работы;

На фиг.13 - график, на котором показана взаимосвязь между нагрузкой двигателя и количеством выбросов NO_x в водородном двигателе, показанном на фиг.1, в зависимости от режима работы;

На фиг.14 - схема водородного двигателя в соответствии со вторым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.15 - блок-схема, иллюстрирующая последовательность действий, используемую при изменении режимов работы двигателя в соответствии с третьим примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.16 - блок-схема, иллюстрирующая последовательность действий, используемую при изменении режимов работы двигателя в соответствии с четвертым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.17 - диаграмма, используемая при выборе режима работы двигателя в соответствии с пятым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.18 - временная диаграмма, отображающая установку момента впрыска по отношению к сигналу давления в цилиндре во время работы на бедной водородной гомогенизированной смеси в соответствии с пятым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.19 - блок-схема, иллюстрирующая последовательность действий, используемую при изменении режимов работы двигателя в соответствии с пятым примером осуществления настоящего изобретения.

На фиг.20 - диаграмма, используемая при выборе режима работы двигателя в соответствии с шестым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.21 - временная диаграмма, отображающая установку момента впрыска и момента зажигания по отношению к сигналу давления в цилиндре во время работы в режиме диффузионного сжигания водородного топлива с помощью свечи зажигания в соответствии с шестым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.22 - блок-схема, иллюстрирующая последовательность действий, используемую при изменении режимов работы двигателя в соответствии с шестым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.23 - временная диаграмма, отображающая установку момента впрыска и момента зажигания по отношению к сигналу интенсивности теплообразования во время работы в режиме диффузионного сжигания водородного топлива с помощью свечи зажигания, при этом верхняя диаграмма отображает установку момента впрыска и момента зажигания в соответствии с седьмым примером осуществления настоящего изобретения, а нижняя диаграмма отображает те же установки момента впрыска и момента зажигания, что и в первом примере осуществления;

На фиг.24 - блок-схема, иллюстрирующая последовательность действий, используемую при изменении режимов работы двигателя в соответствии с седьмым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.25 - блок-схема, иллюстрирующая другой пример последовательности действий, используемой при изменении режимов работы двигателя в соответствии с седьмым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.26 - увеличенный вид сбоку в вертикальной проекции, иллюстрирующий конфигурацию окружения камеры сгорания водородного двигателя в соответствии с восьмым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.27 - увеличенный вид, иллюстрирующий конфигурацию окружения камеры сгорания водородного двигателя в соответствии с восьмым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.28А, 28В и 28С - виды для пояснения конкретного процесса зажигания, осуществляемого во время диффузионного сжигания водородного топлива с помощью свечи зажигания в соответствии с восьмым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.29 - блок-схема, иллюстрирующая другой пример последовательности действий, используемой при изменении режимов работы двигателя в соответствии с восьмым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.30 - увеличенный вид, иллюстрирующий конфигурацию окружения камеры сгорания водородного двигателя в соответствии с девятым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.31 - увеличенный вид, иллюстрирующий конфигурацию окружения камеры сгорания водородного двигателя в соответствии с десятым примером осуществления настоящего изобретения;

На фиг.32 - график, на котором показана взаимосвязь между коэффициентом λ избытка воздуха, термическим к.п.д. и потерями при охлаждении в обычном водородном двигателе;

На фиг.33 - график, на котором показана взаимосвязь между коэффициентом λ избытка воздуха и объемом выбросов NO_x в обычных водородном и бензиновом двигателях;

На фиг.34 - график, на котором показано изменение интенсивности теплообразования в зависимости от угла поворота коленчатого вала в обычном водородном двигателе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0040] Далее будет приведено описание первого примера осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.1-13.

[0041] Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе в соответствии с первым примером осуществления настоящего изобретения является водородным двигателем, использующим водород в качестве газового топлива. Водородный двигатель, соответствующий данному примеру осуществления, схематически показан на фиг.1. Водородный двигатель включает блок 6 цилиндров, внутри которого расположен поршень 8, предназначенный для возвратно-поступательного движения, и головку 4 блока цилиндров, объединенную с блоком 6 цилиндров. Пространство, заключенное между стенками блока 6 цилиндров и головкой 4 блока цилиндров, а также верхней поверхностью поршня 8, образует камеру 10 сгорания. Хотя на чертежах показана только одна камера 10 сгорания, водородный двигатель представляет собой многоцилиндровый двигатель, включающий несколько камер 10 сгорания.

[0042] К камере 10 сгорания подсоединен всасывающий патрубок 20, через который воздух подается в камеру 10 сгорания. Воздух попадает во всасывающий патрубок 20 через воздушный фильтр 22, смонтированный на верхнем по ходу конце всасывающего патрубка 20. На всасывающем патрубке 20 смонтирована дроссельная заслонка 24, предназначенная для регулирования количества воздуха, подаваемого в камеру 10 сгорания. К всасывающему патрубку 20 выше дроссельной заслонки 24 прикреплен расходомер 72, предназначенный для измерения количества подаваемого воздуха. Впускной клапан 12, предназначенный для регулирования связи всасывающего патрубка 20 с камерой 10 сгорания, установлен на расположенной между ними соединительной части.

[0043] Кроме того, к камере 10 сгорания присоединен выпускной патрубок 30, через который выхлопной газ отводится из камеры 10 сгорания. Каталитический нейтрализатор 32 очистки, расположенный на выпускном патрубке 30, очищает выхлопной газ перед его выбросом в атмосферу. К выпускному патрубку 30 перед каталитическим нейтрализатором 32 очистки подсоединен кислородный датчик 78, предназначенный для измерения концентрации кислорода в выхлопном газе. Выпускной клапан 14, предназначенный для регулирования связи выпускного патрубка 30 с камерой сгорания 10, установлен на расположенной между ними соединительной части.

[0044] Внутри камеры 10 сгорания смонтированы клапан 40 впрыска в цилиндр и свеча 16 зажигания. Клапан 40 впрыска в цилиндр соединен с устройством 42 подачи водорода с помощью магистрали 46 подачи водорода. Устройством 42 подачи водорода может являться бак высокого давления, в котором хранится водород, реформер, предназначенный для реформинга углеводородного топлива с целью выработки водорода, или поглощающий водород материал, например металлогидрид. В водородном двигателе в данном примере осуществления нет ограничений на вид устройства 42 подачи водорода. Насос 44, предназначенный для подачи водорода в клапан 40 впрыска в цилиндр, расположен на магистрали 46 подачи водорода. Насос 44 приспособлен для повышения давления водорода до уровня давления, достаточно высокого для впрыска водорода даже в зоне верхней мертвой точки (top dead center - TDC) на такте сжатия. В случае, когда в качестве устройства 42 подачи водорода используется бак высокого давления, насос 44 может быть заменен регулятором при условии, что давление хранения выше давления впрыска.

[0045] Водородный двигатель дополнительно снабжен электронным управляющим блоком (ECU - electronic control unit) 70 в качестве устройства для управления им. К выходной части электронного управляющего блока 70 подсоединены клапан 40 впрыска в цилиндр, свеча 16 зажигания, дроссельная заслонка 24 и другие устройства. В дополнение к датчику 78 кислорода и расходомеру 72 воздуха к входной части электронного управляющего блока 70 подсоединены датчик 74 угла поворота коленчатого вала, датчик 76 детонации и другие виды датчиков. На основе выходных сигналов соответствующих датчиков электронный управляющий блок 70 адаптирован для приведения в действие соответствующих устройств по заданной программе управления.

[0046] Далее будут описаны основные части, включенные в водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления настоящего изобретения. На фиг.2 представлен увеличенный вид, иллюстрирующий конфигурацию окружения камеры 10 сгорания в водородном двигателе. Как показано на фиг.2, свеча 16 зажигания расположена в самой верхней части камеры 10 сгорания. Клапан 40 впрыска в цилиндр расположен на боковой стенке камеры 10 сгорания таким образом, чтобы отверстие для впрыска в ней было ориентировано для впрыска водорода по направлению к свече 16 зажигания. Водород плохо смешивается с воздухом и, следовательно, водород, впрыснутый через клапан 40 впрыска в цилиндр, формирует поток. Альтернативно, клапан 40 впрыска в цилиндр и свеча 16 зажигания могут быть расположены так, как показано на фиг.3. При такой компоновке клапан 40 впрыска в цилиндр и свеча 16 зажигания расположены в самой верхней части камеры 10 сгорания. Отверстие для впрыска клапана 40 впрыска в цилиндр ориентировано так, чтобы поток водорода мог пройти вблизи тонкого конца свечи 16 зажигания.

[0047] В соответствии с конфигурациями, показанными на фиг.2 и 3, поток водорода может быть непосредственно зажжен посредством активизации свечи 16 зажигания в момент впрыска водорода через клапан 40 впрыска в цилиндр. В этом случае момент впрыска водорода устанавливается в пределах диапазона от нескольких градусов раньше верхней мертвой точки на такте сжатия до нескольких градусов позже верхней мертвой точки на такте сжатия, а момент зажигания для свечи 16 зажигания задается так, чтобы он совпадал с моментом зажигания водорода или несколько отставал от него. В указанной компоновке свеча 16 зажигания выдает искру в середине впрыснутого потока водорода. Это не имеет значения, поскольку водород имеет диапазон воспламеняемости, равный 4-75%, и может быть легко зажжен даже в чрезвычайно богатой газовой среде. При воспламенении водорода возникает пламя, а именно запальное пламя. Пламя поддерживается посредством впрыска водорода в направлении пламени, водород диффузионным способом смешивается с воздухом, и горение продолжается. Это означает, что в соответствии с данным примером осуществления водородного двигателя типом сжигания может быть выбрано диффузионное сжигание. Водород сам по себе трудно поджечь, и поэтому он по своей природе не пригоден к диффузионному сжиганию. Однако в этом примере осуществления настоящего изобретения диффузионное сжигание водорода облегчается действием зажигания свечи 16 зажигания, ввиду чего ниже используется выражение «диффузионное сжигание с помощью свечи зажигания».

[0048] В качестве типа сжигания водорода в водородном двигателе в соответствии с данным примером осуществления настоящего изобретения может применяться сжигание предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси, которое используется в обычном двигателе внутреннего сгорания, а также диффузионное сжигание, упомянутое выше. В частности, после того как водород, впрыснутый через клапан 40 впрыска в цилиндр, достаточно смешается с воздухом, активируется свеча 16 зажигания для поджига смеси водорода с воздухом. Таким способом может выполняться сжигание предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси. В то же время для отношения количества воздуха к количеству топлива можно установить значение, соответствующее значительно более бедной смеси, чем при стехиометрическом отношении. Это возможно в связи с тем, что водород имеет диапазон воспламеняемости, равный 4-75 процентам по объему, как указывалось выше. В соответствии с водородным двигателем данного примера осуществления можно эксплуатировать двигатель, в котором водород сжигается при смешивании водорода с воздухом до бедной концентрации компонентов воздушно-топливной смеси, то есть при сжигании бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси.

[0049] В случае, когда водород предварительно перемешивается и сжигается при бедном соотношении компонентов воздушно-топливной смеси, концентрацию воздушно-топливной смеси предпочтительнее делать как можно более однородной. Для этого необходимо обеспечить запас времени для смешивания водорода с воздухом. В случае водородного двигателя данного примера осуществления время, необходимое для гомогенного смешивания водорода с воздухом в камере 10 сгорания, можно получить посредством впрыска водорода во время такта впуска, что обеспечивает гомогенное горение водорода. Такое гомогенное горение водорода при бедном соотношении компонентов воздушно-топливной смеси далее называется «сжиганием гомогенизированной бедной водородной смеси» или просто «сжиганием гомогенной бедной смеси».

[0050] Сжигание гомогенизированной бедной водородной смеси уменьшает потери при перекачке и охлаждении, поэтому водородный двигатель может работать при хорошем показателе пробега в милях на галлон израсходованного топлива и высоком коэффициенте полезного действия. Кроме того, при сжигании гомогенизированной бедной водородной смеси снижается температура сгорания и тем самым снижается объем выбросов NO_x почти до нуля. Этот эффект особенно заметен, когда водородный двигатель эксплуатируется в области относительно низких или средних нагрузок. Выгоды от сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси становятся меньше при увеличении нагрузки двигателя. Это происходит в связи с тем, что водород имеет большой объем и поэтому при возрастании количества впрыскиваемого водорода в ответ на рост нагрузки двигателя коэффициент λ избытка воздуха не может поддерживаться на высоком уровне из-за уменьшения количества воздуха, подаваемого в камеру 10 сгорания. Как уже утверждалось в разделе «Предпосылки создания изобретения» со ссылкой на фиг.32-34, потери при охлаждении резко возрастают, а объем выбросов NO_x в окружающую среду резко повышается, если значение коэффициента λ избытка воздуха становится меньше 2.

[0051] Чтобы получить преимущества от сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси по отношению к ровному участку рабочей области двигателя, необходимо предотвратить снижение коэффициента λ избытка воздуха, которое является следствием увеличения количества впрыскиваемого водорода. Таким образом, в водородном двигателе в соответствии с данным примером осуществления, когда сжигание гомогенизированной бедной водородной смеси осуществляется в рабочей области низких нагрузок, где коэффициент λ избытка воздуха остается достаточно большим, впрыск водорода во время такта впуска осуществляется так, как указано выше, то есть перед закрытием впускного клапана 12, благодаря чему обеспечивается запас времени для смешивания водорода с воздухом. Однако при работе в области высоких нагрузок, где значение коэффициента λ избытка воздуха не может поддерживаться равным или больше 2 благодаря впрыску водорода во время хода впуска, водородный двигатель рассчитан на впрыск водорода через клапан 40 впрыска в цилиндр сразу после закрытия впускного клапана 12, то есть на ранней стадии такта сжатия. Далее будет дано описание типа предшествующего впрыска водорода, называемого «впрыском во время такта впуска», и типа последующего впрыска водорода, называемого «впрыском после закрытия впускного клапана», если, в частности, требуется различать их.

[0052] На фиг.4 представлена диаграмма, используемая при выборе режима работы водородного двигателя в соответствии с данным примером осуществления настоящего изобретения. Это многомерная диаграмма, по осям которой отображаются, соответственно, нагрузка и скорость вращения двигателя. Диаграмма выполнена таким образом, что, как отмечалось выше, впрыск после закрытия впускного клапана выбирается тогда, когда сжигание гомогенизированной бедной водородной смеси осуществляется при работе в режиме высоких нагрузок. На этой диаграмме рабочая область, в которой выбран впрыск после закрытия впускного клапана, такова, что в ней значение коэффициента λ избытка воздуха не может поддерживаться равным или больше 2, благодаря впрыску водорода во время такта впуска, причем впрыск во время такта впуска выбирается в рабочей области низких нагрузок, а не в вышеуказанной рабочей области.

[0053] На фиг.5, в частности, показана установка момента впрыска при работе в режиме сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси по отношению к сигналу давления в цилиндре. Как показано на фиг.5, при впрыске во время такта впуска, выбранном в области относительно низких рабочих нагрузок, момент впрыска перемещается вперед относительно момента закрытия впускного клапана 12 (момент времени, когда давление в цилиндре начинает увеличиваться). В процессе впрыска после закрытия впускного клапана, выбираемого в области относительно высоких рабочих нагрузок, момент впрыска отодвигается назад по отношению к моменту закрытия впускного клапана 12. Хотя это не показано, момент зажигания устанавливается таким, чтобы он находился непосредственно перед верхней мертвой точкой на такте сжатия, как в обычном бензиновом двигателе.

[0054] Впрыск после закрытия впускного клапана может предотвратить затруднения, которые создает водород для подачи воздуха в камеру 10 сгорания, благодаря чему появляется возможность подачи воздуха в камеру 10 сгорания в полном объеме. Кроме того, благодаря началу впрыска водорода, немедленно после того, как закроется впускной клапан 12, можно значительно сократить время, необходимое для смешивания водорода с воздухом. Следовательно, даже при работе в области, где коэффициент λ избытка воздуха не может поддерживаться равным или больше 2 посредством впрыска во время такта впуска, впрыск после закрытия впускного клапана дает возможность выполнять сжигание гомогенизированной бедной водородной смеси при сохранении коэффициента λ избытка воздуха равным или больше 2.

[0055] Однако имеется ограничение на рабочую область, в которой коэффициент λ избытка воздуха может поддерживаться равным или больше 2 посредством впрыска после закрытия впускного клапана. Другими словами, если нагрузка двигателя увеличивается до области очень высоких нагрузок, становится невозможным поддерживать коэффициент избытка воздуха λ равным или больше 2, так как количество воздуха достигает предела, в то время как количество впрыскиваемого водорода продолжает увеличиваться пропорционально нагрузке двигателя. По этой причине, как можно видеть из диаграммы фиг.4, водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления способен переходить от режима сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси к диффузионному сжиганию водорода с помощью свечи зажигания в такой области высоких нагрузок, где коэффициент λ избытка воздуха не может поддерживаться равным или больше 2 даже посредством впрыска после закрытия впускного клапана.

[0056] На фиг.6 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая, в частности, установку момента впрыска и момента зажигания при работе в режиме диффузионного сжигания водородного топлива с помощью свечи зажигания по отношению к колебанию давления в цилиндре. Как показано на фиг.6, момент впрыска при диффузионном сжигании водорода с помощью свечи зажигания устанавливается так, что охватывается период, длящийся с момента перед верхней мертвой точкой на такте сжатия до момента после верхней мертвой точки на такте сжатия, а момент зажигания устанавливается так, чтобы он совпадал с моментом начала впрыска или был немного задержан по отношению к нему.

[0057] Обратимся теперь к фиг.8-13 и рассмотрим преимущества от изменения рабочих режимов в зависимости от нагрузки двигателя в соответствии с диаграммой, показанной на фиг.4, в частности преимущества от перехода от режима сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси к режиму диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания.

[0058] На фиг.8 представлен график, на котором показано изменение давления в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала водородного двигателя. На этом графике сплошная линия отображает изменение давления в цилиндре, когда режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси выполняется при условии λ=2, а штрихпунктирная линия показывает изменение давления в цилиндре, когда режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси выполняется при условии λ=1,5. Как можно видеть на графике, при работе в режиме сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси давление в цилиндре значительно возрастает, так как коэффициент λ избытка воздуха становится меньше 2. Это происходит, потому что скорость сгорания водорода чрезвычайно высока, и сгорание происходит быстрее и более бурно, когда отношение количества воздуха к количеству топлива приближается к стехиометрическому отношению.

[0059] Быстрое сгорание водорода ведет к резкому изменению скорости теплообразования по отношению к углу поворота коленчатого вала и также создает высокий пик. На фиг.9 представлен график, отражающий изменение интенсивности теплообразования по отношению к углу поворота коленчатого вала водородного двигателя. На этом графике сплошная линия отображает изменение интенсивности теплообразования, когда режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси выполняется при условии λ=2, а штрихпунктирная линия отображает изменение скорости теплообразования, когда режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси выполняется при условии λ=1,5. Как можно видеть на графике, если значение коэффициента λ избытка воздуха становится меньше 2 (на графике λ=1,5), водород сжигается быстро в течение очень короткого периода времени.

[0060] На графике фиг.8 штрихпунктирная линия отображает изменение давления в цилиндре, когда операция диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания выполняется при условии, что λ=1,5. Если это сравнить со случаем, когда режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси выполняется при том же условии, когда λ=1,5, необходимо иметь в виду, что в режиме диффузионного сжигания водорода значительно снижается пиковое значение давления в цилиндре. Это происходит в связи с тем, что диффузионное сжигание водорода позволяет сжигать водород более медленно, чем сжигание предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси, что предотвращает повышение температуры сгорания. На графике фиг.9 штрихпунктирная линия отображает изменение интенсивности теплообразования, когда выполняется операция диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания при условии λ=1,5. Как видно из сравнения со случаем, когда режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси выполняется при том же условии, когда λ=1,5, в режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания может быть увеличена длительность сгорания водорода, а также может быть снижено пиковое значение интенсивности теплообразования в цилиндре.

[0061] Как указано выше, при сжигании гомогенизированной бедной водородной смеси, когда значение коэффициента λ избытка воздуха становится меньше 2 и отношение количества воздуха к количеству топлива приближается к стехиометрическому отношению, сгорание происходит быстро. Такого режима быстрого сгорания можно избежать путем перехода от режима сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси к режиму диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания. Предотвращение быстрого сгорания помогает предотвратить рост температуры в цилиндре и потери при охлаждении, что, в свою очередь, поддерживает высокий практический тепловой коэффициент полезного действия и предотвращает увеличение количества выбросов NO_x. Кроме того, давление в цилиндре имеет низкое пиковое значение, что помогает предотвратить возникновение шума пламени и уменьшить износ двигателя. Взаимосвязь между коэффициентом λ избытка воздуха и практическим тепловым коэффициентом полезного действия в каждом рабочем режиме, в частности, показана на фиг.10. Кроме того, на фиг.11, в частности, показана взаимосвязь между коэффициентом λ избытка воздуха и объемом выбросов NO_x в каждом рабочем режиме.

[0062] На фиг.10 представлен график, на котором показана взаимосвязь между коэффициентом λ избытка воздуха и практическим термическим к.п.д. в каждом рабочем режиме, а на фиг.11 показана взаимосвязь между коэффициентом λ избытка воздуха и объемом выбросов NO_x в каждом рабочем режиме. На графике впрыск во время такта впуска, впрыск после закрытия впускного клапана и впрыск во время такта диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания показаны, соответственно, сплошной, штрихпунктирной и пунктирной линиями. Как можно видеть из этих графиков, в случае, когда значение коэффициента λ избытка воздуха равно или больше 2, выгоднее выбирать режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, например впрыск во время такта впуска и впрыск после закрытия впускного клапана, т.е. условия, способствующие образованию гомогенизированной смеси топлива. Однако в случае, когда значение коэффициента λ избытка воздуха меньше 2, для повышения практического термического к.п.д. и уменьшения объема выбросов NO_x, выгоднее выбрать диффузионное сжигание водорода с помощью свечи зажигания.

[0063] Водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления настоящего изобретения рассчитан на переход от одних режимов работы к другим в зависимости от нагрузки двигателя в соответствии с диаграммой, показанной на фиг.4. На графиках фиг.12 показана взаимосвязь нагрузки двигателя и практического термического к.п.д. для соответствующих рабочих режимов, а на графиках фиг.13 показана взаимосвязь нагрузки двигателя и объема выбросов NO_x для соответствующих рабочих режимов. На графиках впрыск во время такта впуска, впрыск после закрытия впускного клапана и впрыск во время такта диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания показаны соответственно сплошной, штрихпунктирной и пунктирной линиями. Как можно видеть из этих графиков, двигатель работает в режиме впрыска во время такта впуска, в то время как нагрузка двигателя находится в нижней области. Поскольку нагрузка двигателя быстрее растет до определенного уровня, происходит переход от режима впрыска во время такта впуска к режиму впрыска после закрытия впускного клапана, что делает возможным непрерывно выполнять режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси даже в более высокой области, чем это происходит в режиме впрыска во время такта впуска. Если нагрузка двигателя дополнительно увеличивается, происходит переход от режима впрыска после закрытия впускного клапана к режиму диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, благодаря чему двигатель может работать с высоким коэффициентом полезного действия в области даже более высоких нагрузок, чем это происходит в режиме диффузионного сжигания водородной смеси, и объем выбросов NO_x может быть снижен до низкого уровня.

[0064] Как описано выше, водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления способен сохранить высокий коэффициент полезного действия в диапазоне от области низких нагрузок до области высоких нагрузок и, кроме того, уменьшить объем выбросов NO_x до низкого уровня посредством перехода от одного режима к другому в группе из трех режимов, а именно впрыска во время впуска, впрыска после закрытия впускного клапана и диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, в соответствии с диаграммой, показанной на фиг.4.

[0065] Указанными режимами водородного двигателя управляет электронный управляющий блок ECU 70, который также управляет переходами между рабочими режимами. В водородном двигателе в соответствии с данным примером осуществления переход между режимами осуществляется в соответствии с последовательностью действий, блок-схема которой показана на фиг.7.

[0066] На шаге S100, который является первым шагом последовательности действий, иллюстрируемой на фиг.7, получают текущие данные о скорости вращения двигателя и угле открытия дроссельной заслонки. Электронный управляющий блок 70 рассчитывает нагрузку двигателя (коэффициент нагрузки) в зависимости от скорости вращения двигателя и угла открытия дроссельной заслонки.

[0067] На шаге S102 определяют, к какой рабочей области на диаграмме фиг.4 относится текущее рабочее состояние, причем текущее рабочее состояние определяется на основе данных о скорости вращения двигателя, полученных на шаге S100, и нагрузки двигателя, рассчитанной на шаге S100. Как можно видеть из диаграммы, представленной на фиг.4, если двигатель работает в области низких нагрузок, выбирается операция сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси (шаг S104). С другой стороны, если двигатель работает в области высоких нагрузок, выбирается операция диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания (шаг S114).

[0068] В случае, когда выбирается операция сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, рабочая нагрузка двигателя определяется еще раз (шаг S106). Если двигатель работает на участке низких нагрузок рабочей области, выбирается операция сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, то есть в рабочей области, где значение коэффициента λ избытка воздуха может поддерживаться равным или больше 2 посредством впрыска во время такта впуска, причем длительность впрыска водорода устанавливается так, чтобы временная диаграмма была такой, как это показано в верхней части фиг.5, и затем выполняется операция сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси с помощью впрыска во время такта впуска (шаг S108).

[0069] С другой стороны, если двигатель работает на участке высоких нагрузок рабочей области, где выбран режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, то есть в рабочей области, где значение коэффициента λ избытка воздуха не может поддерживаться равным или больше 2 посредством впрыска во время такта впуска, момент впрыска водорода устанавливается с запаздыванием, а длительность впрыска водорода устанавливается так, чтобы временная диаграмма была такой, как показана в нижней части фиг.5 (шаг S 110). Затем выполняется сжигание гомогенизированной бедной водородной смеси в режиме впрыска после закрытия впускного клапана (шаг S112).

[0070] В то же время, в случае, когда в результате определения, сделанного на шаге S102, выбран режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, длительность впрыска водорода устанавливается такой, что охватывается период, длящийся с момента перед верхней мертвой точкой на такте сжатия до момента после верхней мертвой точки на такте сжатия, как показано на фиг.6, и свеча 16 зажигания активируется, по существу, одновременно с началом впрыска водорода (шаг S116).

[0071] В данном примере осуществления настоящего изобретения последовательность действий, показанная на фиг.7, выполняется с помощью электронного управляющего блока ECU 70, реализующего «управляющий блок» в соответствии с первым и третьим аспектами настоящего изобретения.

[0072] Далее будет рассмотрен второй пример осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.14.

[0073] Как и в первом примере осуществления, двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе в соответствии с данным примером осуществления является водородным двигателем, в котором в качестве газового топлива используется водород. Схема водородного двигателя в соответствии с данным примером осуществления показана на фиг.14, где некоторые части, подобные таким же частям водородного двигателя, показанного на фиг.1, обозначаются такими же позициями. Далее развернутые описания частей, аналогичных тем, что указаны в первом примере осуществления настоящего изобретения, будут опущены или представлены в сокращенном виде.

[0074] Как показано на фиг.14 водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления содержит клапан 50 впрыска во впускной канал, указанный клапан 50 расположен на всасывающем патрубке 20, в частности на отверстии впуска, в дополнение к клапану 40 впрыска в цилиндр, смонтированному в камере 10 сгорания. В данном примере осуществления магистраль 46 подачи водорода, идущая от устройства 42 подачи водорода, раздваивается в нижней части насоса 44, одно ответвление подключается к клапану 40 впрыска в цилиндр, а другое - к клапану 50 впрыска во впускной канал. Регулятор 48, предназначенный для уменьшения давления водорода, расположен на ответвлении магистрали 46 подачи водорода, идущей к клапану 50 впрыска во впускной канал. Как и клапан 40 впрыска в цилиндр, клапан 50 впрыска во впускной канал управляется блоком ECU 70.

[0075] В соответствии с конструкцией, представленной на фиг.14, водород может впрыскиваться непосредственно в камеру 10 сгорания путем приведения в действие клапана 40 впрыска в цилиндр, а также во впускное отверстие - приведением в действие клапана 50 впрыска во впускной канал. Впрыск водорода во впускное отверстие приводит к запаздыванию по отношению к моменту впрыска в камеру сгорания и, следовательно, к соответствующему ускорению смешивания водорода с воздухом по сравнению с прямым впрыскиванием водорода в камеру 10 сгорания.

[0076] Как и в первом примере осуществления, водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления рассчитан на выбор одного режима из рабочих режимов двигателя на основе диаграммы, показанной на фиг.4, и переход между рабочими режимами выполняется в соответствии с последовательностью действий, приведенной на фиг.7. Ввиду того что в данном примере осуществления водород может впрыскиваться во впускное отверстие, активируется клапан 50 впрыска во впускной канал вместо клапана 40 впрыска в цилиндр при операции впрыска во время такта впуска в режиме сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси. Другими словами, в водородном двигателе в соответствии с данным примером осуществления в режиме впрыска во время такта впуска используется клапан 50 впрыска во впускной канал, но в режиме впрыса после закрытия впускного клапана и в режиме диффузионного сжигания водорода активируется клапан 40 впрыска в цилиндр.

[0077] Такое избирательное использование клапанов впрыска в зависимости от режима работы дает возможность повысить коэффициент полезного действия двигателя и уменьшить токсичность выхлопа в рабочей области, в которой водород может впрыскиваться во время такта впуска. В водородном двигателе, показанном на фиг.1, необходимо постоянно поддерживать давление водорода на высоком уровне, и, следовательно, при увеличении давлении водорода потребляется большое количество энергии. Напротив, если в данном примере осуществления дополнительно используется клапан 50 впрыска во впускной канал, то в режиме средних нагрузок можно уменьшить давление водорода до низкого уровня и, соответственно, может быть уменьшена энергия, подаваемая на насос 44. Кроме того, в случае, когда в водородном двигателе, показанном на фиг.1, в качестве устройства 42 подачи водорода используется бак высокого давления, а регулятор используется вместо насоса 44, нельзя использовать водород, давление которого ниже, чем давление впрыска клапана 40 впрыска в цилиндр. Напротив, в соответствии с водородным двигателем данного примера осуществления давление водорода может быть уменьшено до давления впрыска клапана 50 впрыска во впускной канал, и, соответственно, бак высокого давления может быть использован более эффективно.

[0078] В данном примере осуществления настоящего изобретения последовательность действий, показанная на фиг.7, выполняется с помощью электронного управляющего блока ECU 70 водородного двигателя, показанного на фиг.14, благодаря чему реализуется «управляющий блок» в соответствии с двенадцатым аспектом настоящего изобретения.

[0079] Далее будет рассмотрен третий пример осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.15.

[0080] Как и в первом примере осуществления, двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе в соответствии с данным примером осуществления является водородным двигателем, в котором в качестве газового топлива используется водород. Водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления, как показано на фиг.1 или 14, рассчитан на выбор рабочего режима на основании диаграммы, показанной на фиг.4. Разница между данным примером и первым примером осуществления заключается в последовательности действий для смены рабочего режима.

[0081] В данном примере осуществления переход двигателя из режима в режим осуществляется в соответствии с последовательностью действий, показанной на фиг.15, где выполняемые задачи обработки, совпадающие с задачами обработки, выполняемыми при последовательности действий, показанной на фиг.7, обозначены одинаковыми номерами шагов.

[0082] На шаге S120, который является первым шагом последовательности действий, показанной на фиг.15, получают текущие данные о скорости вращения двигателя и угле открытия дроссельной заслонки. Электронный управляющий блок ECU 70 вычисляет нагрузку двигателя (коэффициент нагрузки) в зависимости от скорости вращения двигателя и угла открытия дроссельной заслонки. Кроме того, на шаге S120 получают текущие данные о количестве подаваемого водорода и количестве воздуха на впуске. Количество подаваемого водорода можно измерить с помощью расходомера водорода (не показан), расположенного на магистрали 46 подачи водорода. Электронный управляющий блок ECU 70 вычисляет коэффициент λ, избытка воздуха на основе количества подаваемого водорода и количества воздуха на впуске.

[0083] На шаге S102 определяется, к какой рабочей области на диаграмме относится текущее рабочее состояние. Если двигатель работает в области низких или средних нагрузок, выбирается режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси (шаг S104). С другой стороны, если двигатель работает в области высоких нагрузок, выбирается режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания (шаг S114).

[0084] В случае, когда выбран режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, длительность впрыска водорода устанавливается так, что охватывается период, длящийся с момента перед верхней мертвой точкой на такте сжатия до момента после верхней мертвой точки на такте сжатия, как показано на фиг.6, и свеча 16 зажигания активируется, по существу, одновременно с началом впрыска водорода (шаг S116).

[0085] Если в результате определения на шаге S102 выбирается режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, то затем определяется, больше ли чем 2 значение коэффициента λ избытка воздуха (шаг S122) или нет. Если определяется, что значение λ больше чем 2, длительность впрыска водорода устанавливается так, как показано в верхней части фиг.5, а затем выполняется режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси посредством впрыска во время шага впуска (шаг S108).

[0086] Операция определения на шаге S122 продолжается, в то время как в качестве режима работы двигателя выбирается режим впрыска во время такта впуска. Если на шаге определения выясняется, что значение λ равно или больше 2, длительность впрыска водорода устанавливается так, как показано в верхней части фиг.5 (шаг S110). Затем выполняется сжигание гомогенизированной бедной водородной смеси в режиме впрыска после закрытия впускного клапана (шаг S112).

[0087] Кроме того, в данной последовательности действий после обработки, выполняемой на шаге S112, определяется, больше ли значение коэффициента λ избытка воздуха чем 2 (шаг S124). Если определяется, что значение λ больше чем 2, непрерывно выполняется режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси с использованием впрыска после закрытия впускного клапана. Операция определения на шаге S124 продолжается, в то время как в качестве режима работы двигателя выбирается режим впрыска после закрытия впускного клапана. Если на шаге определения выявляется, что величина λ равна или меньше 2, программа переходит к шагу S114, где происходит переход от режима сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси к режиму диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания.

[0088] В соответствии с последовательностью действий, указанной выше, в рабочей области, в которой выбран режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, переход от режима сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси к режиму диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания выполняется в зависимости от того, превышает ли значение коэффициента λ избытка воздуха величину 2. Другими словами, даже когда работа двигателя происходит в области режима впрыскивания во время такта впуска, как показано на фиг.4, если значение коэффициента λ избытка воздуха не может поддерживаться больше чем 2, происходит принудительный переход из режима впрыска во время такта впуска к режиму впрыска после закрытия впускного клапана. Это дает возможность в режиме сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси постоянно поддерживать значение коэффициента λ избытка воздуха больше 2.

[0089] Кроме того, в последовательности действий, указанной выше, даже когда работа двигателя происходит в области режима впрыска после закрытия впускного клапана, как показано на фиг.4, происходит принудительный переход от режима впрыска после закрытия впускного клапана к режиму диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, если значение коэффициента λ избытка воздуха не может поддерживаться больше чем 2 посредством перехода к режиму впрыска после закрытия впускного клапана. Это дает возможность справиться с неуловимыми изменениями окружающей среды (например, изменением газовой среды или давления топлива) и, таким образом, определенно избежать снижения коэффициента полезного действия и увеличения токсичности выхлопа, что в противном случае может произойти в результате быстрого сжигания.

[0090] В данном примере осуществления последовательность действий, показанная на фиг.15, выполняется с помощью электронного управляющего блока ECU 70, благодаря чему реализуется «управляющий блок» в соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения.

[0091] Далее будет рассмотрен четвертый пример осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.16.

[0092] Как и в первом примере осуществления, двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе в соответствии с данным примером осуществления является водородным двигателем, в котором в качестве газового топлива используется водород. Водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления, как показано на фиг.1 или 14, приспособлен для выбора рабочего режима на основе диаграммы, показанной на фиг.4. Разница между данным примером и первым примером осуществления настоящего изобретения заключается в последовательности действий для смены рабочего режима.

[0093] В данном примере осуществления переход двигателя из режима в режим осуществляется в соответствии с последовательностью действий, показанной на фиг.16, где выполняемые задачи обработки, совпадающие с задачами обработки, выполняемыми при последовательности действий, показанной на фиг.7 и 15, обозначены одинаковыми номерами шагов.

[0094] На шаге S120, который является первым шагом последовательности действий, показанной на фиг.16, получают текущие данные о скорости вращения двигателя и угле открытия дроссельной заслонки. Электронный управляющий блок ECU 70 рассчитывает нагрузку двигателя (коэффициент нагрузки) в зависимости от скорости вращения двигателя и угла открытия дроссельной заслонки. Кроме того, на шаге S120 получают текущие данные о количестве подачи водорода и количестве воздуха на впуске. Электронный управляющий блок ECU 70 вычисляет коэффициент λ избытка воздуха на основе количества подаваемого водорода и количества воздуха на впуске.

[0095] На шаге S102 определяют, к какой рабочей области на диаграмме относится текущее рабочее состояние. Если двигатель работает в области низких или средних нагрузок, выбирается режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси (шаг S104). С другой стороны, если двигатель работает в области высоких нагрузок, выбирается режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания (шаг S114).

[0096] В случае, когда выбран режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, длительность впрыска водорода устанавливается так, что охватывается период, длящийся с момента перед верхней мертвой точкой на такте сжатия до момента после верхней мертвой точки на такте сжатия, как показано на фиг.6, и свеча 16 зажигания активируется, по существу, одновременно с началом впрыска водорода (шаг S116).

[0097] Если в результате определения на шаге S102 выбирается режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, то на шаге S126 определяется, больше ли чем 2 значение коэффициента λ избытка воздуха. На шаге S126 также определяется, ниже ли значение скорости роста давления в цилиндре, чем опорное пороговое значение. В зависимости от рабочей среды или состояния двигателя, возможно, что сгорание водорода будет происходить быстро и бурно даже в случае, когда значение коэффициента λ избытка воздуха больше чем 2. Быстрое сгорание ведет к резкому росту давления в цилиндре, это означает, что факт наличия или отсутствия состояния быстрого сгорания можно определить путем измерения скорости роста давления в цилиндре. Указанное выше пороговое значение служит критерием для определения факта наличия или отсутствия состояния быстрого сгорания. Давления в цилиндре измеряют датчиком давления (не показан), предусмотренным в камере 10 сгорания. В альтернативном случае, если датчик 76 детонации обнаруживает возникновение детонации, это может быть свидетельством того, что скорость роста давления в цилиндре превышает пороговое значение. Это объясняется тем, что во время быстрого сгорания топлива возникает вибрация типа детонации.

[0098] Если при определении на шаге S126 выявляется, что значение коэффициента λ избытка воздуха больше 2 и, кроме того, что значение скорости роста давления в цилиндре меньше порогового значения, то определяется, что происходит быстрое сгорание топлива. В этом случае длительность впрыска водорода устанавливается так, как показано в верхней части фиг.5, а затем выполняется режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси посредством впрыска во время шага впуска (шаг S108).

[0099] Операция определения на шаге S126 продолжается, в то время как в качестве режима работы двигателя выбирается режим впрыска во время такта впуска. Если в результате этого определения обнаруживается, что значение коэффициента λ избытка воздуха равно или меньше 2 или что скорость роста давления в цилиндре равна или больше порогового значения, то считается, что при впрыске во время такта впуска быстрое сгорание неизбежно. В этом случае момент впрыска водорода устанавливается с задержкой, а длительность впрыска водорода устанавливается так, как показано в нижней части фиг.5 (шаг S110). Затем выполняется сжигание гомогенизированной бедной водородной смеси в режиме впрыска после закрытия впускного клапана (шаг S112).

[0100] После обработки, выполняемой на шаге S112, в данной последовательности действий определяется, превышает ли значение коэффициента λ избытка воздуха величину 2 и ниже ли скорость роста давления в цилиндре, чем опорное значение (шаг S128). Если значение коэффициента λ избытка воздуха больше 2 и скорость роста давления в цилиндре меньше опорного значения, то определяется, что быстрого сгорания топлива можно избежать посредством впрыска после закрытия впускного клапана. Соответственно, в этом случае непрерывно выполняется сжигание гомогенизированной бедной водородной смеси в режиме впрыска после закрытия впускного клапана.

[0101] Операция определения на шаге S128 продолжается, в то время как в качестве режима работы двигателя выбирается режим впрыска после закрытия впускного клапана. Если в результате этого определения обнаруживается, что значение коэффициента λ избытка воздуха равно или меньше 2 или что скорость роста давления в цилиндре равна или больше эталонного значения, то считается, что быстрое сгорание неизбежно даже при впрыске во время такта впуска. В этом случае в последовательности действий переходят к шагу S114, где происходит переход от режима сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси к режиму диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания.

[0102] В соответствии с указанной выше последовательностью действий данного примера осуществления в рабочей области, в которой выбран режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, переход от режима впрыска во время такта пуска к режиму впрыска после закрытия впускного клапана выполняется в зависимости от того, больше ли коэффициент λ избытка воздуха значения 2 и меньше ли скорость роста давления в цилиндре, чем пороговое значение. Другими словами, даже когда работа двигателя происходит в области режима впрыска во время такта впуска, как показано на диаграмме фиг.4, происходит принудительный переход от режима впрыска во время такта впуска к режиму впрыска после закрытия впускного клапана, если коэффициент λ избытка воздуха не может поддерживаться выше чем 2. Кроме того, даже в случае, когда значение коэффициента λ избытка воздуха больше 2, происходит принудительный переход от режима впрыска во время такта впуска к режиму впрыска после закрытия впускного клапана, если значение скорости роста давления в цилиндре становится равным или большим, чем опорное значение. Это дает возможность определенно избежать появления состояния быстрого сгорания.

[0103] В соответствии с последовательностью действий данного примера осуществления, как указано выше, даже когда работа двигателя происходит в области режима впрыска после закрытия впускного клапана, как показано на диаграмме фиг.4, происходит принудительный переход от режима впрыска после закрытия впускного клапана к режиму диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, если значение коэффициента λ избытка воздуха не может поддерживаться больше чем 2 посредством перехода к режиму впрыска после закрытия впускного клапана или если значение скорости роста давления в цилиндре становится равным или больше порогового значения даже в случае, когда значение коэффициента λ избытка воздуха больше 2. Это дает возможность справиться с неуловимыми изменениями окружающей среды (например, изменения газовой среды или давления топлива) и, таким образом, определенно избежать снижения коэффициента полезного действия и увеличения токсичности выхлопа, что в противном случае может произойти в результате быстрого сжигания.

[0104] В данном примере осуществления настоящего изобретения последовательность действий, показанная на фиг.16, выполняется с помощью электронного управляющего блока ECU 70, благодаря чему реализуется «управляющий блок» в соответствии с пятым аспектом настоящего изобретения.

[0105] Далее будет рассмотрен пятый пример осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.17-19.

[0106] Как и в первом примере осуществления, двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе в соответствии с данным примером осуществления является водородным двигателем, в котором в качестве газового топлива используется водород. Водородный двигатель в соответствии с пятым примером осуществления имеет конфигурацию, представленную на фиг.1 или фиг.14. В соответствии с водородным двигателем, показанным на фиг.1 или фиг.14, водород можно подавать в виде послойной смеси, в частности распыляемой послойной смеси: впрыскиванием водорода с использованием воздуха путем активизации клапана 40 впрыска в цилиндр во время такта сжатия, в частности во время среднего и позднего периода такта сжатия. Сжигание послойной смеси, то есть послойное сжигание, может выполняться при более бедном отношении количества воздуха к количеству топлива, чем при сжигании гомогенизированной бедной водородной смеси, что дает возможность улучшить пробег в милях на галлон израсходованного топлива. Ниже послойное сжигание водорода в режиме сжигания бедной воздушно-топливной смеси называется «сжиганием послойной бедной водородной смеси».

[0107] Разница между данным и первым примерами осуществления настоящего изобретения заключается в диаграмме для выбора режимов работы двигателя. В соответствии с пятым примером осуществления настоящего изобретения режим работы выбирается на основе диаграммы, показанной на фиг.17. Эта диаграмма является многомерной, по осям которой отложены нагрузка двигателя и скорость вращения двигателя. Диаграмма фиг.17 отличается от диаграммы фиг.4 тем, что вместо режима сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси выбирается режим сжигания послойной бедной водородной смеси на участке самых низких нагрузок рабочей области, где водород перемешивается и сжигается бедная воздушно-топливная смесь. Если нагрузка двигателя растет сильнее и в результате возрастает количество впрыскиваемого водорода, то длительность впрыска увеличивается. Из-за этого физически сложно выполнять послойное сжигание. Соответственно, в рабочей области, где нагрузка двигателя относительно высока, выполнение режима сжигания послойной бедной водородной смеси прекращается, и вместо него выбирается режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, как показано на диаграмме фиг.4.

[0108] Временная диаграмма фиг.18, в частности, отражает установку момента впрыска по отношению к сигналу давления в цилиндре в режиме сжигания гомогенизированной предварительно перемешанной бедной воздушно-топливной смеси, то есть в режиме сжигания бедной водородной смеси (режим сжигания предварительно перемешанной бедной смеси). На фиг.18 термин «длительность впрыска» с примечанием в скобках «впрыск во время такта сжатия» означает длительность спрыска в режиме сжигания послойной бедной водородной смеси, в котором интервал впрыска сдвинут вперед на 30-60 градусов по отношению к верхней мертвой точке на такте сжатия. Хотя это не показано, момент зажигания устанавливается в зоне верхней мертвой точки на такте сжатия так, что имеется достаточно времени для создания послойной смеси водорода с воздухом. Момент впрыска в случае сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси является таким же, как показано на временной диаграмме фиг.5. Поэтому его дополнительное описание не будет приведено.

[0109] В данном примере осуществления переход двигателя из режима в режим осуществляется в соответствии с последовательностью действий, показанной на фиг.19, где выполняемые задачи обработки, совпадающие с задачами обработки, выполняемыми при последовательности действий, показанной на фиг.7, обозначены одинаковыми номерами шагов.

[0110] На шаге S100, который является первым шагом последовательности действий, показанной на фиг.19, получают текущие данные о скорости вращения двигателя и угле открытия дроссельной заслонки. Далее рассчитывается нагрузка двигателя (коэффициент нагрузки) в зависимости от скорости вращения двигателя и угла открытия дроссельной заслонки. На шаге S102 определяется, к какой рабочей области на диаграмме относится текущее рабочее состояние. Если двигатель работает в области низких или средних нагрузок, выбирается режим сжигания бедной водородной смеси (шаг S130). С другой стороны, если двигатель работает в области высоких нагрузок, то выбирается режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания (шаг S114).

[0111] В случае, когда выбран режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, длительность впрыска водорода устанавливается так, что охватывается период, длящийся с момента перед верхней мертвой точкой на такте сжатия до момента после верхней мертвой точки на такте сжатия, как показано на фиг.6, и свеча 16 зажигания активируется, по существу, одновременно с началом впрыска водорода (шаг S116).

[0112] В случае, когда выбирается режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, рабочая область, в которой работает двигатель, определяется еще раз (шаг S132). Если двигатель работает на участке очень низких нагрузок рабочей области, где выбран режим сжигания бедной водородной смеси, длительность впрыска водорода устанавливается так, как показано в верхней части фиг.18, а затем выполняется режим сжигания послойной бедной водородной смеси посредством впрыска во время такта сжатия (шаг S134).

[0113] На участке более высоких нагрузок рабочей области, чем участок самых низких нагрузок, указанный выше, в качестве рабочего режима двигателя чаще выбирается режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, чем режим сжигания послойной бедной водородной смеси. Если двигатель работает на участке низких нагрузок рабочей области, где выбран режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, то есть в рабочей области, где значение коэффициента λ избытка воздуха может поддерживаться равным или больше 2 посредством впрыска во время такта впуска, причем длительность впрыска водорода устанавливается так, чтобы временная диаграмма была такой, как показана в верхней части фиг.18, и затем выполняется режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси с помощью впрыска во время такта впуска (шаг S108).

[0114] Если двигатель работает на участке высоких нагрузок рабочей области, где выбран режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, то есть в рабочей области, где значение коэффициента λ избытка воздуха не может поддерживаться равным или больше 2 посредством впрыска во время такта впуска, момент впрыска задерживается, и длительность впрыска водорода устанавливается так, чтобы временная диаграмма была такой, как показана в нижней части фиг.18 (шаг S110), и затем выполняется режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси с помощью впрыска после закрытия впускного клапана (шаг S112).

[0115] В данном примере осуществления последовательность действий, показанная на фиг.19, выполняется с помощью электронного управляющего блока ECU 70, реализующего «управляющий блок» в соответствии с тринадцатым аспектом настоящего изобретения.

[0116] Далее будет рассмотрен шестой пример осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.20-22.

[0117] В режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания впрыск водорода и зажигание происходят, по существу, в одно и то же время и водород продолжает впрыскиваться в уже зажженное пламя. По этой причине самая малая длительность сжигания водорода устанавливается равной периоду, в течение которого водород впрыскивается через клапан 40 впрыска в цилиндр. В частности, в области высоких нагрузок длительность сгорания заметно увеличивается пропорционально увеличению количества впрыскиваемого топлива, что не позволяет добиться идеального сгорания и увеличивает потери на выхлопе.

[0118] Как и в первом в примере осуществления двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе в соответствии с данным примером осуществления является водородным двигателем, в котором в качестве газового топлива используется водород. Водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления может иметь конфигурацию, показанную на фиг.14. В водородном двигателе, показанном на фиг.1 или. 14, необходимое количество водорода может быть непосредственно впрыснуто в камеру 10 сгорания в две ступени посредством приведения в действие клапана 40 впрыска в цилиндр дважды за один цикл. В данном примере осуществления такой двухступенчатый впрыск применяется в режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, причем часть водорода для диффузионного сжигания впрыскивается в виде предварительного впрыскивания перед основным впрыскиванием. Благодаря этому пропорционально уменьшается длительность основного впрыска и предотвращается продление периода сгорания. В дальнейшем режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, следующий после предварительного впрыска, указанного выше, будет называться «режимом диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания с использованием предварительного впрыска».

[0119] Разница между данным и первым примерами осуществления заключается в диаграмме для выбора режимов работы двигателя. В соответствии с данным примером осуществления режимы работы двигателя выбираются с использованием диаграммы, показанной на фиг.20. Эта диаграмма является многомерной, по осям которой отложены значения соответственно нагрузки двигателя и числа оборотов двигателя. Диаграмма фиг.20 отличается от диаграммы фиг.4 тем, что режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания с использованием предварительного впрыска выбирается на участке высоких нагрузок рабочей области, где выполняется режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания.

[0120] На фиг.21 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая, в частности, установку момента впрыска и момента зажигания по отношению к сигналу давления в цилиндре при работе в режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания с использованием предварительного впрыска. Момент впрыска и момент зажигания в стандартном режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания выбирается таким же, как показан на временной диаграмме фиг.6. Поэтому их дополнительное описание приводиться не будет.

[0121] Если выбран режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания с использованием предварительного впрыска, часть требуемого для впрыска водорода сначала предварительно впрыскивается сразу после закрытия впускного клапана 12. Предварительно впрыскиваемый водород смешивается с воздухом в камере 10 сгорания, чтобы образовалась воздушно-топливная смесь. В связи с этим количество впрыскиваемого водорода устанавливается так, чтобы концентрация водорода в воздушно-топливной смеси поддерживалась достаточно низкой, для избежания риска самовоспламенения воздушно-топливной смести в момент подхода ее к свече 16 зажигания и соприкосновения с ней. Как и в обычном режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, период основного впрыска устанавливается так, чтобы он перекрывал центр верхней мертвой точки сжатия. Однако по сравнению с обычным режимом диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания длительность основного впрыска может быть сокращена до такой степени, что часть водорода предварительно впрыскивается заранее.

[0122] Как и в обычном режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания с использованием предварительного впрыска момент зажигания в режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания с использованием предварительного впрыска может быть установлен так, чтобы он совпадал с началом основного впрыска или немного отставал от него. Однако предпочтительно, чтобы зажигание выполнялось перед основным зажиганием, как это показано на временной диаграмме фиг.21. Воспламенение смеси предварительно впрыснутого водорода и воздуха создает запальное пламя, которое может использоваться в осуществлении диффузионного сжигания. Благодаря этому во время основного впрыска увеличивается температура в цилиндре, что приводит к более надежному зажиганию водорода, впрыснутого во время основного впрыска. Благодаря этому может уменьшиться количество выбросов несгоревшего водорода. Кроме того, если при этом порция водорода сгорает до диффузионного сжигания, становится возможным в режиме диффузионного сжигания предотвратить дополнительное увеличение давления в цилиндре.

[0123] В данном примере осуществления переход двигателя из режима в режим осуществляется в соответствии с последовательностью действий, показанной на фиг.22, где выполняемые задачи обработки, совпадающие с задачами обработки, выполняемыми при последовательности действий, показанной на фиг.7, обозначены одинаковыми номерами шагов. Обработка, следующая за выбором режима сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси на фиг.22, полностью аналогична последовательности действий фиг.7. Поэтому иллюстрация операций после шага S104 опущена. Далее описание уже рассмотренных выше задач обработки будет опущено или представлено кратко.

[0124] На шаге S150, который является первым шагом последовательности действий, показанной на фиг.22, получают текущие данные о числе оборотов двигателя и угле открытия дроссельной заслонки. Нагрузка двигателя (коэффициент нагрузки) рассчитывается в зависимости от числа оборотов двигателя и угла открытия дроссельной заслонки. На шаге S150 также получают текущие данные о длительности впрыска водорода. Длительность впрыска водорода рассчитывается, исходя из количества подаваемого водорода и давления на впрыске клапана 40 впрыска в цилиндр.

[0125] На шаге S102 определяется, к какой рабочей области на диаграмме относится текущее рабочее состояние. Если двигатель работает в области низких или средних нагрузок, выбирается режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси (шаг S104). С другой стороны, если двигатель работает в области высоких нагрузок, выбирается режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания (шаг S114).

[0126] В случае, когда выбирается режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, выполняется шаг определения, выше ли длительность впрыска водорода, чем заданное пороговое значение (шаг S152). На диаграмме фиг.20 рабочая область, где выбирается режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания с использованием предварительного впрыска, сводится к рабочей области, в которой длительность впрыска водорода становится больше чем заданное пороговое значение. С другой стороны, рабочая область, где выбирается обычный режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания с использованием предварительного впрыска, сводится к рабочей области, в которой длительность впрыска водорода становится равной или меньше заданного порогового значения.

[0127] Если в результате определения, выполненного на шаге S152, выясняется, что длительность впрыска водорода равна или меньше заданного порогового значения, выбирается обычный режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания. В этом случае длительность впрыска водорода устанавливается так, что охватывается период, длящийся с момента перед верхней мертвой точкой сжатия до момента после верхней мертвой точки сжатия, как показано на фиг.21, и свеча 16 зажигания активируется, по существу, одновременно с началом впрыска водорода (шаг S154).

[0128] Если определяется, что длительность впрыска водорода больше, чем заданное пороговое значение, выбирается режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания с использованием предварительного впрыска. В этом случае, как показано на нижнем графике фиг.21, длительность предварительного впрыска водорода устанавливается так, что он начинается сразу после закрытия впускного клапана 12, а длительность основного впрыска устанавливается так, что охватывается период, длящийся с момента перед верхней мертвой точкой сжатия до момента после верхней мертвой точки сжатия. Кроме того, свеча 16 зажигания активируется перед началом основного впрыска (шаг S156).

[0129] В данном примере осуществления последовательность действий, показанная на фиг.22, выполняется с помощью электронного управляющего блока ECU 70, реализующего «управляющий блок» в соответствии с шестым и седьмым аспектами настоящего изобретения.

[0130] Далее будет рассмотрен седьмой пример осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.23-25.

[0131] Как и в первом примере осуществления двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе в соответствии с данным примером осуществления является водородным двигателем, в котором в качестве газового топлива используется водород. Водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления, как показано на фиг.1 или 14, рассчитан на выбор рабочего режима на основе диаграммы, показанной на фиг.4. Разница между данным примером и первым примером осуществления заключается в операции зажигания свечи 16 зажигания в режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания.

[0132] На фиг.23 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая, в частности, установку момента впрыска и момента зажигания по отношению к интенсивности теплообразования при работе в режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания. На нижней диаграмме фиг.23 показан тот же момент впрыска, что принят в первом примере осуществления. Если момент впрыска и момент зажигания установлены так, как показано на нижней диаграмме фиг.23, пламя возникает после зажигания впрыснутого потока водорода свечой 16 зажигания, а водород продолжает впрыскиваться в пламя. В этом процессе часть водорода, не проникшая в пламя, выбрасывается в окружающую среду в несгоревшем виде. Поскольку пламя в процессе впрыска водорода не всегда однородно, в зависимости от обстоятельств может оказаться большое количество несгоревшего водорода. Количество несгоревшего водорода стремится к росту при возрастании количества водорода, то есть длительность впрыска водорода становится больше. Соответственно, при увеличении длительности впрыска водорода может оказаться необходимым впрыскивать немного больше водорода, чтобы компенсировать ожидаемые потери водорода из-за выброса несгоревшего водорода в окружающую среду.

[0133] На верхней диаграмме фиг.23 показаны одни и те же моменты впрыска и зажигания, что приняты в данном примере осуществления настоящего изобретения. В этом примере осуществления свеча 16 зажигания активируется несколько раз (четыре раза на фиг.23) в пределах длительности впрыска водорода для зажигания впрыснутого потока водорода. Первое зажигание предназначено для формирования основного пламени при диффузионном сжигании, тогда как второе и последующие зажигания являются дополнительными. Такой пример дополнительных зажиганий впрыснутого водорода позволяет сжигать водород более полно и тем самым уменьшить количество выбрасываемого в окружающую среду несгоревшего водорода. Длительность впрыска водорода можно уменьшить пропорционально уменьшению количества несгоревшего водорода. Кроме того, как можно видеть из диаграммы сигнала интенсивности теплообразования, при каждом угле опережения зажигания тепло выделяется более интенсивно, чем в обычном режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания. Это помогает сократить общее время тепловыделения, что делает возможным реализовать сжигание, приводящее к увеличению крутящего момента.

[0134] В данном примере осуществления переход двигателя из режима в режим осуществляется в соответствии с последовательностью действий, показанной на фиг.24, где выполняемые задачи обработки, совпадающие с задачами обработки, выполняемыми при последовательности действий, показанной на фиг.7, обозначены одинаковыми номерами шагов. Обработка, следующая за выбором режима сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси на фиг.24, полностью аналогична той, что указана в последовательности действий фиг.7. Поэтому иллюстрация операций после шага S104 опущена. Далее описание уже рассмотренных выше задач обработки будет опущено или представлено кратко.

[0135] На шаге S150, который является первым шагом последовательности действий, показанной на фиг.24, получают текущие данные об угле открытия дроссельной заслонки и длительности впрыска водорода. Нагрузка двигателя (коэффициент нагрузки) рассчитывается в зависимости от числа оборотов двигателя и угла открытия дроссельной заслонки.

[0136] На шаге S102 определяется, к какой рабочей области на диаграмме относится текущее рабочее состояние. Если двигатель работает в области низких или средних нагрузок, выбирается режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси (шаг S104). С другой стороны, если двигатель работает в области высоких нагрузок, выбирается режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания (шаг S114).

[0137] В случае, когда выбран режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, выполняется шаг определения, выше ли длительность впрыска водорода, чем заданное пороговое значение (шаг S160). Если определяется, что длительность впрыска водорода не больше, чем пороговое значение, свеча 16 зажигания активируется только один раз, чтобы выполнить зажигание при угле опережения зажигания, показанном на диаграмме фиг.23 (шаг S162). Однако если определяется, что длительность впрыска больше порогового значения, то свеча 16 зажигания активируется несколько раз при углах опережения зажигания, показанных на верхней диаграмме фиг.23 (шаг S164), при этом частоту активации свечи зажигания можно задать произвольно.

[0138] В последовательности действий, указанной выше, в период, когда длительность впрыска является малой и, следовательно, несгоревшего топлива остается малое количество, зажигание выполняется только один раз, что дает возможность сэкономить энергию, потребляемую при выполнении операции зажигания. При росте длительности впрыска водорода свеча 16 зажигания активируется большее количество раз. Это позволяет сжигать водород более полно, благодаря чему уменьшается количество несгоревшего водорода.

[0139] Кроме того, частоту активации свечи 16 зажигания в процессе впрыска водорода можно увеличивать в пошаговом режиме в зависимости от длительности впрыска водорода. Вместо указанной выше последовательности действий переход двигателя из режима в режим может осуществляться посредством использования, например, последовательности действий, показанной на фиг.25, где выполняемые задачи обработки, совпадающие с задачами обработки, выполняемыми при последовательности действий, показанной на фиг.24, обозначены одинаковыми номерами шагов.

[0140] В последовательности действий, показанной на фиг.25, для определения длительности периода впрыска водорода задаются первое и второе опорные значения. Второе опорное значение устанавливается так, чтобы оно было больше первого опорного значения. В случае, когда в результате определения области нагрузки на шаге S102 выбран режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, выполняется шаг определения, выше ли длительность впрыска водорода, чем заданное пороговое значение (шаг S166). Если определяется, что длительность впрыска водорода равна или меньше порогового значения, свеча 16 зажигания активируется только один раз, чтобы выполнить первое зажигание (шаг S168). Однако если определяется, что длительность впрыска водорода больше порогового значения, выполняется шаг определения, больше ли длительность впрыска водорода, чем второе пороговое значение (шаг S170). Если определяется, что длительность впрыска водорода равна или меньше порогового значения, свеча 16 зажигания активируется дважды (шаг S172). Если определяется, что длительность впрыска водорода превышает второе пороговое значение, свеча 16 зажигания активируется более трех раз (шаг S174).

[0141] Такой способ увеличения частоты активизации свечи зажигания пропорционально длительности впрыска водорода помогает экономить энергию, используемую в процессе зажигания, и гарантирует надежное зажигание водорода.

[0142] В данном примере осуществления последовательность действий, показанная на фиг.24 или фиг.25, выполняется с помощью электронного управляющего блока ECU 70, реализующего «управляющий блок» в соответствии с восьмым аспектом настоящего изобретения.

[0143] Далее будет рассмотрен восьмой пример осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.26-29.

[0144] Как и в первом примере осуществления настоящего изобретения, двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе в соответствии с данным примером осуществления настоящего изобретения является водородным двигателем, в котором в качестве газового топлива используется водород. Водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления настоящего изобретения может быть реализован посредством замены конфигурации окружения камеры 10 сгорания в водородном двигателе, показанном на фиг.1 или фиг.14 конфигурацией, представленной на фиг.26 и 27. На фиг.26 камера 10 сгорания показана на виде сбоку, а на фиг.27 - на виде сверху. На фиг.26 и 27 части, подобные таким же частям водородного двигателя, иллюстрируемого чертежом фиг.1 или фиг.14, обозначаются такими же позициями.

[0145] Как показано на фиг.26 и 27, водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления снабжен тремя, то есть с первой по третью, свечами 16, 60 и 62 зажигания. Как и в первом примере осуществления, первая свеча 16 зажигания расположена в самой верхней части камеры 10 сгорания. Клапан 40 впрыска в цилиндр расположен на боковой части стенки камеры 10 сгорания таким образом, что его отверстие для впрыска ориентировано так, что впрыск водорода производился в направлении первой свечи 16 зажигания. Вторая свеча 60 зажигания расположена как раз над клапаном 40 впрыска в цилиндр, а третья свеча 62 зажигания расположена на стороне, диаметрально противоположной по отношению к клапану 40 впрыска в цилиндр. Как лучше всего иллюстрируется на фиг.27, клапан 40 впрыска в цилиндр и три свечи 16, 60 и 62 зажигания расположены на общей прямой линии так, что поток водорода, впрыскиваемый через клапан 40 впрыска в цилиндр, может проходить мимо второй свечи 60 зажигания, первой свечи 16 зажигания и третьей свечи 62 зажигания в указанной последовательности. Как и в случае с первой свечой 16 зажигания, активизация второй свечи 60 зажигания и третьей свечи 62 зажигания осуществляется с помощью электронного управляющего блока 70.

[0146] Как показано на фиг.26 и 27, три свечи 60, 16 и 62 зажигания расположены вдоль пути впрыснутого потока водорода. Это дает возможность зажечь впрыснутый поток водорода в трех точках, то есть в верхней, средней и нижней частях впрыснутого потока водорода, в режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания. Ниже приводится описание конкретной работы свеч 60, 16 и 62 зажигания во время работы в режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания со ссылкой на фиг.28А, 28В и 28С.

[0147] Как показано на фиг.28А, вторая свеча 60 зажигания, находящаяся по соседству с клапаном 40 впрыска в цилиндр, является первой, активируемой, по существу одновременно с впрыском водорода через клапан 40 впрыска в цилиндр. Поток впрыснутого водорода зажигается посредством активизации указанной свечи зажигания, и, следовательно, диффузионное сжигание происходит в окрестности свечи 60 зажигания, как показано на фиг.28В. Однако при этом часть водорода остается в несгоревшем виде и формирует несгоревший поток водорода, текущий по направлению к стороне выпуска. Ввиду такой ситуации, как показано на фиг.28В, первая свеча 16 зажигания активируется одновременно с моментом, когда впрыснутый поток водорода достигает первой свечи 16 зажигания, расположенной в центре. Несгоревший водород зажигается приведением в действие первой свечи 16 зажигания, и, следовательно, происходит диффузионное сжигание в зоне первой свечи 16 зажигания, как показано на фиг.28В. Даже после этого процесса зажигания часто часть водорода остается несгоревшей и, следовательно, формирует несгоревший поток водорода, текущий по направлению к стороне выпуска. Принимая это во внимание, как показано на фиг.28В, третья свеча 62 зажигания активируется одновременно с моментом, когда впрыснутый поток водорода достигает третьей свечи 62 зажигания, расположенной в месте, наиболее удаленном в направлении стороны выпуска.

[0148] Такая последовательная активация трех свечей 60, 16 и 62 зажигания с сохранением между ними разности фаз обеспечивает более надежное зажигание водорода, посредством чего первоначально возникшее пламя может быть организовано более удобным способом и последующее диффузионное горение может поддерживаться без затруднений. Это дает возможность уменьшить количество водорода, выбрасываемого в несгоревшем виде в окружающую среду в режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания.

[0149] Несгоревший водород выбрасывается в окружающую среду в большинстве случаев тогда, когда двигатель работает в режиме высоких нагрузок, а водород впрыскивается в него в больших количествах. Следовательно, в отличие от случая, когда активируются все три свечи 60, 16 и 62 зажигания, активация только свечи 60 зажигания, расположенной около клапана 40 впрыска в цилиндр, и свечи 16 зажигания, расположенной в центре, именно в такой последовательности, считается достаточным для сгорания, если нагрузка двигателя мала и водород впрыскивается в относительно малом количестве. Предполагается также, что если количество впрыскиваемого водорода мало, активация только свечи 60 зажигания, расположенной около клапана 40 впрыска в цилиндр, будет достаточной для сгорания. Чтобы избежать ненужной операции зажигания и, следовательно, сэкономить энергию, но в то же время надежно предотвратить выброс несгоревшего водорода, желательно изменять число точек зажигания в зависимости от нагрузки двигателя, как указано выше.

[0150] В данном примере осуществления переход двигателя из режима в режим осуществляется в соответствии с последовательностью действий, показанной на фиг.29, где выполняемые задачи обработки, совпадающие с задачами обработки, выполняемыми при последовательности действий, показанной на фиг.7, обозначены одинаковыми номерами шагов. Обработка, следующая за выбором режима сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси на фиг.29, полностью аналогична той, что и при последовательности действий фиг.7. Поэтому иллюстрация операций после шага S104 опущена. Далее описание уже рассмотренных выше технологических задач будет полностью опущено или представлено кратко.

[0151] На шаге S100, который является первым шагом последовательности действий, показанной на фиг.29, получают текущие данные о числе оборотов двигателя и угле открытия дроссельной заслонки. Нагрузка двигателя (коэффициент нагрузки) рассчитывается в зависимости от числа оборотов двигателя и угла открытия дроссельной заслонки.

[0152] На шаге S102 определяется, к какой рабочей области на диаграмме относится текущее рабочее состояние. Если двигатель работает в области низких или средних нагрузок, выбирается режим сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси (шаг S104). С другой стороны, если двигатель работает в области высоких нагрузок, выбирается режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания (шаг S114).

[0153] В случае, когда выбран режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания, на шаге S180, исходя из нагрузки двигателя (коэффициента нагрузки), рассчитывается оптимальное число точек зажигания. В частности, с ростом нагрузки двигателя число точек зажигания возрастает с одной первой, в которой активируется вторая свеча 60 зажигания, до двух - с добавлением второй точки зажигания, в которой активируется первая свеча 16 зажигания, и далее - до трех, с добавлением третьей точки зажигания, в которой активируется третья свеча 62 зажигания в заданной последовательности.

[0154] На шаге S182 водород впрыскивается перед верхней мертвой точкой и после нее на такте сжатия, и одновременно выполняется активация свечи зажигания в соответствии с оптимальным числом точек зажигания. В то же время, в случае активации нескольких свечей зажигания, они активируются последовательно с сохранением между ними разности фаз от стороны впуска к стороне выпуска впрыскиваемого потока водорода.

[0155] Хотя это не показано в последовательности действий фиг.29, расположенная в центре свеча 16 зажигания используется в режиме сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси, как и в первом примере осуществления. Чтобы поддержать сжигание очень бедной смеси, могут быть приведены в действие все свечи 16, 60 и 62 зажигания.

[0156] Первая свеча 16 зажигания используется также, если выбран режим сжигания послойной бедной водородной смеси при экстремально низких нагрузках, как в пятом примере осуществления. В альтернативном случае, с целью уменьшения возросшего времени смешивания водорода с воздухом вместо первой свечи 16 зажигания может быть активирована третья свеча 62 зажигания, расположенная на наибольшем расстоянии от клапана 40 впрыска в цилиндр.

[0157] В данном примере осуществления последовательность действий, показанная на фиг.29, выполняется с помощью электронного управляющего блока ECU 70 водородного двигателя, представленного на фиг.26 и 27, реализующего «управляющий блок» в соответствии с девятым аспектом настоящего изобретения.

[0158] Далее будет рассмотрен девятый пример осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.30.

[0159] Как и в первом примере осуществления, двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе в соответствии с данным примером осуществления является водородным двигателем, в котором в качестве газового топлива используется водород. Водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления может быть реализован посредством замены конфигурации окружения камеры 10 сгорания в водородном двигателе, показанном на фиг.1 или фиг.14, конфигурацией, представленной на фиг.30, на которой камера 10 сгорания показана на виде сверху. На фиг.30 части, подобные таким же частям водородного двигателя, показанного на фиг.1 или фиг.14, обозначаются одинаковыми позициями.

[0160] Как показано на фиг.30, водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления содержит клапан 40 впрыска в цилиндр, расположенный на боковой части стенки камеры 10 сгорания. Вдобавок к свече 16 зажигания, расположенной в самой верхней части камеры 10 сгорания, на боковых сторонах камеры 10 сгорания расположены две свечи 64 и 64 зажигания, размещенные таким образом, что свеча 16 зажигания лежит между ними. Три свечи 16, 64 и 64 зажигания расположены, по существу, на равном расстоянии от верхнего края клапана 40 впрыска в цилиндр. Клапан 40 впрыска в цилиндр содержит три отверстия для впрыска, через которые водород одновременно впрыскивается по направлению к соответствующим свечам 16, 64 и 64 зажигания. Как и в случае со свечой 16 зажигания, активизацией свечей 64 и 64 зажигания управляет электронный управляющий блок 70.

[0161] В конфигурации, показанной на фиг.30, требуемое количество водорода может раздельно впрыскиваться в трех направлениях в режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания так, что диффузионное сжигание может происходить в трех точках внутри камеры 10 сгорания. Благодаря этому уменьшается количество впрыснутого водорода, предназначенное для каждой свечи зажигания, благодаря чему обеспечивается требуемое сжигание водорода и уменьшение объема выбросов несгоревшего водорода. Поскольку соответствующие свечи 16, 64 и 64 зажигания расположены на равном расстоянии от клапана 40 впрыска в цилиндр, впрыснутые потоки водорода зажигаются почти одновременно. Кроме того, впрыскивание одного и того же количества водорода в соответствующих направлениях может выровнять величину тепловыделения в каждой точке сжигания. Это обеспечивает равномерное сгорание с уменьшенными флуктуациями.

[0162] Далее будет рассмотрен десятый пример осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фиг.31.

[0163] Как и в первом примере осуществления, двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе в соответствии с данным примером осуществления является водородным двигателем, в котором в качестве газового топлива используется водород. В водородном двигателе в соответствии с данным примером осуществления конфигурация окружения камеры 10 сгорания в водородном двигателе, показанном на фиг.1 или фиг.14, заменена конфигурацией, представленной на фиг.31, на которой камера 10 сгорания показана на виде сверху. На фиг.31 части, подобные таким же частям водородного двигателя, показанного на фиг.1 или фиг.14, обозначаются одинаковыми позициями.

[0164] Как показано на фиг.31, водородный двигатель в соответствии с данным примером осуществления содержит клапан 40 впрыска в цилиндр и свечу 16 зажигания, расположенную в самой верхней части камеры 10 сгорания, как в конфигурации, представленной на фиг.3, которая является модификацией первого примера осуществления. Клапан 40 впрыска в цилиндр расположен в центре самой верхней части камеры 10 сгорания, а свеча 16 зажигания расположена сразу за клапаном 40 впрыска в цилиндр с некоторым смещением. Кроме того, четыре свечи 66 зажигания расположены на верхних боковых сторонах камеры 10 сгорания на равном расстоянии вдоль воображаемой окружности, центр которой совпадает с центральной осью клапана 40 впрыска в цилиндр. Одна из свечей 66 зажигания расположена на прямой линии, идущей от клапана 40 впрыска в цилиндр через свечу 16 зажигания. Клапан 40 впрыска в цилиндр содержит четыре отверстия для впрыска, через которые водород впрыскивается радиально наружу по направлению к свечам 66 зажигания. Как и в случае со свечой 16 зажигания, активацией свечей зажигания управляет электронный управляющий блок 70.

[0165] В конфигурации, показанной на фиг.31, в которой свеча 16 зажигания расположена сразу за клапаном 40 впрыска в цилиндр, пламя может формироваться сразу рядом с клапаном 40 впрыска в цилиндр в режиме диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания посредством активации свечи 16 зажигания, по существу, одновременно с впрыском водорода. Кроме того, из-за того, что свечи 66 зажигания выровнены в соответствии с направлениями впрыска водорода, становится возможным надлежащим образом зажигать часть водорода, которая не была подвергнута диффузионному сжиганию центральным пламенем. Дополнительно к этому, ввиду того что водород отовсюду впрыскивается в направлении свеч 66 зажигания, можно обеспечить надлежащее сжигание водорода и уменьшить объем выбросов несгоревшего водорода.

[0166] Кроме того, в конфигурации, показанной на фиг.31, водород повсеместно выпрыскивается в радиальном направлении вниз через клапан 40 впрыска в цилиндр, расположенный в самой верхней части камеры 10 сгорания. Благодаря этому водород равномерно смешивается с воздухом в режиме сжигания гомогенизированной бедной водородной смеси.

[0167] Несмотря на то, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано конкретными примерами осуществления, для специалиста в данной области техники также очевидно, что в настоящем изобретении могут быть сделаны различные модификации и изменения, не выходящие за пределы сущности и области действия данного изобретения, определенной в формуле изобретения. Например, характерные для настоящего изобретения конфигурация и управление могут быть использованы в комбинации с другими примерами его осуществления. Возьмем конкретный пример: режим диффузионного сжигания водорода с помощью свечи зажигания с использованием предварительного впрыска в соответствии с шестым примером осуществления может сочетаться со способом, в котором предусмотрено несколько моментов зажигания, в соответствии с седьмым примером осуществления настоящего изобретения. В данном случае зажигание осуществляется один раз после предварительного впрыска и перед главным впрыском. Зажигание выполняется несколько раз также в процессе основного впрыска. Благодаря этому, когда при самом раннем зажигании сжигается предварительно впрыснутая часть водорода, в камере сгорания создается газовая среда с высокой температурой. Выполнение основного впрыска в газовой среде с высокой температурой позволяет надлежащим образом надежно сжигать водород с уменьшенной частотой выполнения операции зажигания и, соответственно, экономить энергию, затрачиваемую на операцию зажигания.

[0168] Хотя свеча зажигания в предыдущих примерах осуществления используется в качестве устройства зажигания, которое поджигает впрыснутый поток водорода с целью его диффузионного сжигания, можно предположить возможность использования запальной свечи в дополнение к свече зажигания и что при этом зажигание будет осуществляться запальной свечой. Другими словами, запальная свеча может использоваться в качестве устройства зажигания в режиме диффузионного сжигания, в то время как свеча зажигания будет использоваться в качестве устройства зажигания в обычном режиме сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси.

[0169] Кроме того, хотя в рассмотренных выше примерах осуществления настоящее изобретение применено к водородному двигателю, его можно также применить к двигателям внутреннего сгорания на газовом топливе, отличающемся от водорода. В случае с водородом сжигание происходит быстро, если значение коэффициента избытка воздуха становится больше чем 2. Однако пороговое значение коэффициента избытка воздуха, ниже которого сжигание становится принудительным, меняется в зависимости от состава газового топлива. Соответственно, в случае, когда изобретение применяется к другим двигателям внутреннего сгорания на газовом топливе, пороговое значение может определяться в зависимости от состава конкретного газового топлива, которое будет использоваться. Далее режим сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси может быть выбран в рабочей области, где значение коэффициента избытка воздуха может поддерживаться равным или больше порогового значения, тогда как режим диффузионного сжигания выбирается в рабочей области, где невозможно поддерживать значение коэффициента избытка воздуха равным или больше порогового значения.

1. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе, работающий на газовом водороде в качестве газового топлива, включающий: клапан впрыска в цилиндр, предназначенный для впрыска газового топлива непосредственно в камеру сгорания; устройство зажигания, размещенное по направлению потока газового топлива, впрыснутого через клапан впрыска в цилиндр; и управляющий блок, предназначенный для управления временем срабатывания устройства зажигания и временем срабатывания клапана впрыска в цилиндр с целью осуществления изменения посредством этого типов сжигания газового топлива, впрыскиваемого через клапан впрыска в цилиндр, между сжиганием предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси и диффузионным сжиганием, указанный двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе характеризуется тем, что управляющий блок вычисляет коэффициент избытка воздуха на основании количества подаваемого водорода и количества воздуха на впуске; и управляющий блок выбирает в качестве режима работы двигателя внутреннего сгорания работу на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси для предварительного смешивания и сжигания газового топлива при бедном отношении количества воздуха к количеству топлива, когда двигатель внутреннего сгорания работает в рабочей области, где значение коэффициента избытка воздуха может поддерживаться, в основном, равным или большем 2 и выбирает в качестве режима работы двигателя внутреннего сгорания диффузионное сжигание для диффузионного сжигания газового топлива, когда двигатель внутреннего сгорания работает в рабочей области, где значение коэффициента избытка воздуха не может поддерживаться, в основном, равным или большем 2.

2. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по п.1, дополнительно содержащий средство получения коэффициента избытка воздуха,
при этом управляющий блок во время работы на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси изменяет режим работы двигателя внутреннего сгорания на режим диффузионного сжигания, когда коэффициент избытка воздуха имеет значение ниже заданного порогового значения.

3. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по п.2, дополнительно содержащий средство для получения данных о скорости роста давления в цилиндре,
при этом управляющий блок во время работы на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси изменяет режим работы двигателя на режим диффузионного сжигания, когда коэффициент избытка воздуха имеет значение выше заданного порогового значения.

4. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по любому из пп.1-3, в котором во время выполнения диффузионного сжигания управляющий блок активирует устройство зажигания, когда газовое топливо впрыскивается через клапан впрыска в цилиндр.

5. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по любому из пп.1-3, в котором во время выполнения диффузионного сжигания управляющий блок устанавливает длительность интервала впрыска так, чтобы он перекрывал период от момента времени перед верхней мертвой точкой на такте сжатия до момента времени после верхней мертвой точки на такте сжатия, и, активизирует устройство зажигания, в основном, одновременно с началом впрыска газового топлива.

6. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по любому из пп.1-3, в котором во время выполнения диффузионного сжигания топлива управляющий блок предварительно впрыскивает часть газового топлива, при этом объем газового топлива, впрыскиваемого предварительно, определяется требуемой нагрузкой, и выполняет основное впрыскивание для диффузионного сжигания в газовой среде, в которой предварительно впрыснутое газовое топливо смешано с воздухом.

7. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по п.6, в котором управляющий блок активирует устройство зажигания после выполнения предварительного впрыска, но перед основным впрыском.

8. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по п.6, в котором управляющий блок выполняет предварительное впрыскивание на участке высоких нагрузок рабочей области, где выполняется операция диффузионного сжигания.

9. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по любому из пп.1-3, в котором во время диффузионного сжигания управляющий блок дополнительно активирует устройство зажигания в ходе впрыска газового топлива в зависимости от периода впрыска газового топлива.

10. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по п.9, в котором управляющий блок увеличивает частоту активизации устройства зажигания шаг за шагом в зависимости от периода впрыска газового топлива.

11. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по любому из пп.1-3, в котором
устройство зажигания расположено в самой верхней части камеры сгорания; и
клапан впрыска в цилиндр расположен на боковой стороне камеры сгорания таким образом, что отверстие для впрыска клапана впрыска в цилиндр ориентировано так, чтобы газовое топливо впрыскивалось по направлению к устройству зажигания.

12. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по любому из пп.1-3, в котором:
устройство зажигания и клапан впрыска в цилиндр расположены в самой верхней части камеры сгорания; и
отверстие для впрыска клапана впрыска в цилиндр ориентировано так, чтобы поток газового топлива проходил мимо конца устройства зажигания.

13. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по любому из пп.1-3, в котором:
несколько устройств зажигания размещено вдоль пути потока газового топлива, впрыснутого через клапан впрыска в цилиндр; и
когда выполняется диффузионное сжигание управляющий блок активирует несколько устройств зажигания одновременно или последовательно с разностью фаз в порядке изменения расстояния от наименьшего до наибольшего по отношению к клапану впрыска в цилиндр.

14. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по любому из пп.1-3, в котором клапан впрыска в цилиндр сконфигурирован с целью впрыскивания газового топлива в нескольких направлениях, а каждое устройство зажигания из нескольких устройств зажигания сориентировано в соответствующем направлении впрыска клапана впрыска в цилиндр.

15. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по п.14, в котором несколько устройств зажигания расположено, в основном, на равном расстоянии от конца клапана впрыска в цилиндр.

16. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по п.14, в котором:
клапан впрыска в цилиндр расположен в центре самой верхней части камеры сгорания;
одно из устройств зажигания расположено непосредственно рядом с клапаном впрыска в цилиндр со смещением; и
несколько устройств зажигания размещено вдоль воображаемой окружности, центр которой совпадает с центральной осью клапана впрыска в цилиндр.

17. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по любому из пп.1-3, в котором управляющий блок обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска в цилиндр до закрытия впускного клапана в области низких нагрузок рабочей области, где реализуется режим сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси, и обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска в цилиндр сразу после закрытия впускного клапана на участке высоких нагрузок рабочей области, где реализуется режим сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси.

18. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по любому из пп.1-3, дополнительно содержит клапан впрыска во впускной канал, предназначенный для впрыска газового топлива во впускной канал,
при этом управляющий блок обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска во впускной канал до закрытия впускного клапана на участке низких нагрузок рабочей области, где реализуется режим сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси, и обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска в цилиндр сразу после закрытия впускного клапана на участке высоких нагрузок рабочей области.

19. Двигатель внутреннего сгорания на газовом топливе по любому из пп.1-3, в котором управляющий блок обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска в цилиндр во время такта сжатия так, что газовое топливо может быть подвергнуто послойному сжиганию на участке низких нагрузок рабочей области, где выполняется операция сжигания бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси, и обеспечивает впрыск газового топлива через клапан впрыска в цилиндр во время такта сжатия или в начале такта сжатия так, что газовое топливо может быть подвергнуто гомогенному сжиганию в рабочей области над участком низких нагрузок.

20. Способ управления двигателем внутреннего сгорания на газовом топливе, работающим на газовом водороде в качестве газового топлива, включающим клапан впрыска в цилиндр, предназначенный для впрыска газового топлива непосредственно в камеру сгорания, и устройство зажигания, расположенное вдоль пути потока газового топлива, впрыскиваемого через клапан впрыска в цилиндр, включающий:
управление временем срабатывания устройства зажигания и временем срабатывания клапана впрыска в цилиндр с целью осуществления изменения посредством этого типов сжигания газового топлива, впрыскиваемого через клапан впрыска в цилиндр, между сжиганием предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси и диффузионным сжиганием, и
вычисление коэффициента избытка воздуха на основании количества подаваемого водорода и количества воздуха на впуске,
при этом в качестве режима работы двигателя внутреннего сгорания выбирается работа на бедной предварительно перемешанной воздушно-топливной смеси для предварительного смешивания и сжигания газового топлива при бедном отношении количества воздуха к количеству топлива, когда двигатель внутреннего сгорания работает в рабочей области, где значение коэффициента избытка воздуха может поддерживаться, в основном, равным или большем 2, и выбирается диффузионное сжигание для диффузионного сжигания газового топлива, когда двигатель внутреннего сгорания работает в рабочей области, где значение коэффициента избытка воздуха не может поддерживаться, в основном, равным или большем 2.

Похожие патенты:

Газовый двигатель // 2369754

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливным системам двигателей внутреннего сгорания. .

Агрегат подачи горючева в двс // 2362899

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, работающим на сжиженном природном газе. .

Система подачи криогенного топлива в энергетическую установку // 2347934

Изобретение относится к машиностроению, в частности к криогенным топливным системам энергетических установок. .

Усовершенствованный электромеханический инжектор для газового топлива // 2331785

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. .

Устройство подачи газообразного топлива к двигателю внутреннего сгорания автомобиля // 2325546

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам подачи газообразного топлива в двигатели внутреннего сгорания. .

Система подогрева воздуха и газа, поступающих в двигатель внутреннего сгорания // 2295055

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам питания двигателей внутреннего сгорания воздухом и топливом с подогревом. .

Система подачи топлива // 2295054

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам подачи топлива и топливогазовой смеси в двигатель внутреннего сгорания. .

Устройство подачи природного газа с внешним смесеобразованием в двигатель // 2291316

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам подачи газа в двигатель внутреннего сгорания. .

Топливная система дизеля для работы на диметиловом эфире // 2287077

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливным системам дизелей, работающих на диметиловом эфире. .

Клапан для подачи газа в двигатель внутреннего сгорания // 2283439

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам для подачи газа в двигатель внутреннего сгорания. .

Газовый редуктор высокого давления // 2347094

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к устройствам для снижения давления газа, регулирования и стабилизации выходного давления заданной величины.

Способ газопитания и регулирования поршневого двигателя в динамических режимах // 2269020

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к объектам газопитания и регулирования двигателей. .

Способ управления временем впрыска газа в двс (варианты) // 2231664

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системе управления впрыском газа в двигатель внутреннего сгорания. .

Система питания газового двигателя внутреннего сгорания // 2221160

Изобретение относится к машиностроению, в частности к системам питания газового двигателя внутреннего сгорания. .

Система впрыска топлива в двигатель внутреннего сгорания // 2195570

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к системам управления подачей топлива в двигателях внутреннего сгорания. .

Вспомогательный узел ввода топлива и способ его эксплуатации // 2141050

Изобретение относится к системам ввода топлива двигателей внутреннего сгорания. .

Способ определения состояния теплового насыщения и устройство для его осуществления // 2140556

Изобретение относится к системам ввода топлива двигателей внутреннего сгорания. .

Способ подачи и дозирования топлива в газодизеле и устройство для подачи и дозирования топлива // 2137937

Изобретение относится к области двигателестроения и предназначено для использования в газодизельных двигателях для автомобилей, тракторов, стационарных установок.

Система подачи газа в двигатель внутреннего сгорания // 2136932

Изобретение относится к системам регулирования подачи газа в цилиндры двигателя. .

Устройство для дозирования цилиндрового газа газового двигателя внутреннего сгорания // 2133868

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в механизмах питания двигателей внутреннего сгорания газообразным топливом.

Способ управления газовым двигателем и системой газового двигателя // 2424440

Изобретение относится к способу управления газовым двигателем и системой газового двигателя