Способ очистки камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ очистки камеры (7) сгорания двигателя (1) внутреннего сгорания включает в себя подачу газообразного вещества в охлаждающее устройство (25), охлаждение вещества в охлаждающем устройстве (25) ниже точки росы, так чтобы образовался конденсат воды, подачу вещества, содержащего конденсат, в камеру (7) сгорания двигателя (1) внутреннего сгорания, проведение реакции горения в камере (7) сгорания и отвод остатков из камеры (7) сгорания. Газообразное вещество, по меньшей мере, выше по течению от охлаждающего устройства (25) имеет относительную влажность более 0%. Раскрыт двигатель (1) внутреннего сгорания. Технический результат заключается в упрощении очистки от отложений камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к способу очистки камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания согласно пункту 1 формулы изобретения и к двигателю внутреннего сгорания согласно ограничительной части пункта 9 формулы изобретения.
У двигателей внутреннего сгорания проблема обычно состоит в том, что вследствие реакций горения, непрерывно протекающих по меньшей мере в одной камере сгорания, со временем образуются отложения, содержащие, например, золу жидкого топлива и/или загрязнения, подаваемые с воздухом для горения топлива. В частности, в двигателях внутреннего сгорания, выполненных в виде газовых двигателей, такие отложения могут вызвать детонацию, что, в свою очередь, ведет к уменьшению максимальной мощности и срока службы двигателя внутреннего сгорания. Поэтому такие двигатели внутреннего сгорания через заранее определенные интервалы или же по мере необходимости необходимо очищать или освобождать камеры сгорания от отложений. Для этого обычно предусмотрены остановка, разборка двигателя и механическое удаление отложений в камерах сгорания. Это требует очень больших усилий, в частности времени и материальных затрат, и означает, что двигатель внутреннего сгорания на время очистки должен останавливаться, что, в свою очередь, ведет к издержкам, порождаемым простоем. Из английской патентной заявки GB 2357318 следует способ, с помощью которого должно предотвращаться уже само образование отложений в камере сгорания. Для этого в камеру сгорания подается, в частности впрыскивается, вода, которая там испаряется. При этом она, в частности, понижает температуру горения, причем предотвращается образование окисей кремния, которые обычно приводят к отложениям в камере сгорания. Отрицательным в этом способе действия является то, что при этом для подачи воды требуется сложное впрыскивающее устройство.
В основу изобретения положена задача создания способа и двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающих, в частности, простую и малозатратную очистку от отложений по меньшей мере одной камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Задача решается тем, что создается способ с этапами осуществления согласно пункту 1 формулы изобретения. При этом в охлаждающее устройство подается газообразное вещество. Газообразное вещество, по меньшей мере, выше по течению от охлаждающего устройства имеет относительную влажность более 0%, следовательно, оно содержит водяной пар некоторой концентрации, отличной от нуля. В охлаждающем устройстве вещество охлаждается ниже точки росы. В результате образуется конденсат воды. Вещество, содержащее конденсат, подается в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, и в камере сгорания происходит реакция горения. Вследствие повышения давления и температуры во время реакций горения вода, содержащаяся в конденсате, испаряется, причем при фазовом переходе, в частности, происходит мгновенное изменение объема. В результате налет или отложения отслаиваются от стенок камеры сгорания. Затем остатки выводятся из камеры сгорания. При этом понятие «остатки» включает, с одной стороны, отработавшие газы, возникающие при реакции горения, а с другой стороны, и отслоившийся налет, который может покинуть камеру горения, в частности, вместе с отработавшими газами через выпускной клапан. Таким образом, камера сгорания очищается весьма эффективно. Способ является экономичным, поскольку он не нуждается ни в каком сложном устройстве для подачи воды. Более того, и так имеющаяся влага из газообразного вещества, предпочтительно, используется для образования в обычно и без того предусмотренном охлаждающем устройстве конденсата, служащего затем для очистки по меньшей мере одной камеры сгорания. В рамках способа нет также необходимости в разборке и механической очистке двигателя внутреннего сгорания. Более того, очистка может происходить во время работы двигателя внутреннего сгорания и, в частности, на полной мощности. Благодаря эффективности способа очистки максимальная мощность действует в течение длительного периода эксплуатации, а вредное для деталей действие детонации может сводиться к минимуму.
Возможно также, чтобы способ дополнительно приводил к тому, чтобы благодаря наличию испаряющейся воды в камере сгорания температуры горения были ниже, что положительно сказывается на выбросах из двигателя внутреннего сгорания. Предпочтительно также, чтобы вода, испаряющаяся в камере сгорания, приводила к предотвращению образования окисей кремния или его допущению лишь в ограниченных объемах, так чтобы образование новых отложений предотвращалось или, по меньшей мере, замедлялось.
В рамках способа возможно, чтобы конденсат выпадал в охлаждающем устройстве. Альтернативно или дополнительно возможно, чтобы конденсат выпадал в подводящем трубопроводе, по которому газообразное вещество передается от охлаждающего устройства по меньшей мере в одну камеру сгорания. Предпочтительно, чтобы в охлаждающем устройстве и/или в подводящем трубопроводе в остаточном газообразном веществе образовывался туман из капель воды.
В рамках способа температура в охлаждающем устройстве целенаправленно предпочтительно выбирается так, чтобы относительная влажность газообразного вещества в охлаждающем устройстве и/или ниже его по течению поднималась до значения свыше 100%. Это способ действия, которого обычно в известных двигателях внутреннего сгорания и способах их эксплуатации сознательно избегают. Температура в распространенных охлаждающих устройствах, наоборот, обычно постоянно повышается таким образом, чтобы в охлаждающем устройстве или ниже его по течению как раз не выпадало никакого конденсата. В двигателях внутреннего сгорания, эксплуатируемых, например, в тропиках с относительно высокой влажностью воздуха, температура в соответствующем охлаждающем устройстве выбирается выше, чем в двигателях внутреннего сгорания, эксплуатируемых в местностях со сравнительно более низкой влажностью воздуха. В рамках способа, напротив, для очистки по меньшей мере одной камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания сознательно используется возможность образования влаги, содержащейся в газообразном веществе в охлаждающем устройстве или ниже его по течению, путем целенаправленной регулировки ее температуры.
Предпочтительным является способ, отличающийся тем, что в качестве газообразного вещества используется горючая смесь из воздуха для горения и топлива. При этом в качестве охлаждающего устройства, предпочтительно, используется охладитель смеси, предпочтительно, установленный ниже по течению от газосмесителя, в котором воздух для горения перемешивается с топливом, предпочтительно с газом. В этой связи, в частности, предпочтительным является двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу двигателя с принудительным воспламенением рабочей смеси. В пределах способа здесь остаточная влага воздуха для горения, а при необходимости и остаточная влага топлива, используются с помощью охладителя смеси для получения конденсата, служащего затем для очистки камеры сгорания.
Предпочтительным является также способ, отличающийся тем, что в качестве газообразного вещества используется воздух для горения. В этом случае в качестве охлаждающего устройства предпочтительно используется охладитель воздуха для горения. Этот вариант осуществления способа особенно предпочтителен в связи с двигателем внутреннего сгорания, который работает по принципу дизеля и/или в котором топливо подается в камеру сгорания непосредственно без предварительного перемешивания с воздухом для горения. В этом варианте осуществления способа используется относительная влажность воздуха для горения, а в охладителе воздуха для горения или ниже по течению от него образуется конденсат, используемый затем для очистки камеры для горения.
Предпочтительным является также способ, отличающийся тем, что в качестве газообразного вещества используется возвратный выхлопной газ двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания предпочтительно содержит в этом случае возвратный трубопровод для выхлопных газов, по которому по меньшей мере в одну камеру сгорания вместе с воздухом для горения подается выхлопной газ, в частности для уменьшения выбросов из двигателя внутреннего сгорания или для повышения его коэффициента полезного действия. В качестве охлаждающего устройства в этом варианте осуществления способа предпочтительно используется охладитель возвратного выхлопного газа. Альтернативно или дополнительно возможно использование в качестве охлаждающего устройства охладителя воздуха для горения, в котором возвратный выхлопной газ охлаждается вместе с воздухом для горения. Следовательно, для получения в охладителе возвратного выхлопного газа или ниже по течению от него и/или в охладителе воздуха для горения конденсата, применяемого в конечном счете для очистки камеры сгорания, возможно использование относительной влажности возвратного выхлопного газа.
Предпочтительным является также способ, отличающийся тем, что газообразное вещество выше по течению от охлаждающего устройства сжимается. Для этого, предпочтительно, предусмотрен компрессор. Альтернативно или дополнительно для сжатия газообразного вещества возможно использование турбонагнеталеля. Газообразное вещество, прежде чем оно будет подано в охлаждающее устройство, предпочтительно сжимается. Таким образом, посредством охлаждающего устройства возможно отведение тепла, возникающего при сжатии, и, в частности, увеличение заполнения по меньшей мере одной камеры сгорания.
Предпочтительным является также способ, отличающийся тем, что температура в охлаждающем устройстве опускается ниже точки росы однократно. Он действует таким образом, что температура в охлаждающем устройстве в нормальном режиме работы двигателя внутреннего сгорания удерживается выше точки росы, что соответствует вышеописанному обычному способу действия. Только для очистки двигателя внутреннего сгорания температура в охлаждающем устройстве однократно опускается ниже точки росы для очистки по меньшей мере одной камеры сгорания в заранее определенный момент времени, по истечении заранее определенного количества рабочих часов, после достижения заранее определенной общей отработанной мощности двигателя внутреннего сгорания, после прохождения автомобилем, приводимым в движение двигателем внутреннего сгорания, заранее определенного пути движения. В частности возможно, чтобы способ осуществлялся при запуске или непосредственно после запуска двигателя внутреннего сгорания.
Альтернативно возможно, чтобы температура в охлаждающем устройстве опускалась ниже точки росы периодически. В частности, это может регулярно производиться после нового запуска двигателя внутреннего сгорания, в заранее определенное время, по истечении заранее определенного количества рабочих часов, после достижения заранее определенного интервала мощности, отработанной двигателем внутреннего сгорания или после прохождения автомобилем, приводимым в движение двигателем внутреннего сгорания, заранее определенного пути движения.
Альтернативно возможно, чтобы температура в охлаждающем устройстве устанавливалась ниже точки росы или удерживалась на значении ниже точки росы длительное время. Из этого следует не только непрерывная очистка по меньшей мере одной камеры сгорания, но и, в частности, уже описанные преимущества в смысле уменьшения или даже полного предотвращения новообразования отложений.
Возможно, наконец, чтобы температура в охлаждающем устройстве опускалась ниже точки росы по мере необходимости. При этом предпочтительно предусмотрено, чтобы образование отложений опосредованно или непосредственно регистрировалось с помощью соответствующего устройства, причем способ очистки осуществлялся так, чтобы температура, таким образом, опускалась ниже точки росы, если отложения превысили заранее определенную величину.
Предпочтительным является также способ, отличающийся тем, что по меньшей мере один параметр вещества измеряется выше или ниже по течению от охлаждающего устройства. При этом по меньшей мере по одному параметру определяется точка росы вещества. Таким образом, температуру охлаждающего устройства в любой момент времени можно целенаправленно удерживать выше или ниже точки росы в зависимости от того, должен или не должен осуществляться способ очистки камеры сгорания. Таким образом, двигатель внутреннего сгорания можно целенаправленно эксплуатировать также при любых внешних условиях, в частности, в местностях или ко времени с разной влажностью воздуха при осуществлении способа или при сознательном отказе от способа.
В этой связи предпочтительным является способ, отличающийся тем, что параметр, по которому определяется точка росы, выбран из группы, состоящей из давления, температуры и относительной влажности вещества. Особенно предпочтительно измеряются давление, температура и относительная влажность вещества, причем точка росы выбирается совместно по всем результатам измерений. В этом случае с высокой степенью надежности в любой момент времени и в любых условиях эксплуатации температуру в охлаждающем устройстве можно целенаправленно выбрать таким образом, чтобы способ очистки камеры сгорания или проводился, или сознательно избегался.
Задача решается также путем создания двигателя внутреннего сгорания с признаками пункта 9 формулы изобретения. Этот двигатель содержит по меньшей мере одну камеру сгорания и одно охлаждающее устройство для охлаждения вещества, подаваемого в камеру сгорания. Двигатель внутреннего сгорания отличается устройством управления, выполненным для определения точки росы вещества, подаваемого в камеру сгорания, причем устройство управления выполнено и кинематически соединено с охлаждающим устройством таким образом, чтобы с его помощью температура в охлаждающем устройстве опускалась ниже точки росы. В частности, двигатель внутреннего сгорания предпочтительно выполнен для осуществления способа по одному из вышеописанных вариантов осуществления.
Предпочтительно двигатель внутреннего сгорания выполнен в виде поршневого двигателя, причем способ осуществляется в нормальном режиме работы двигателя внутреннего сгорания, в частности также с полной нагрузкой, причем с помощью охлаждающего устройства ниже точки росы при осуществлении способа охлаждаются или горючая смесь из воздуха для горения и топлива, только воздух для горения, только возвратный выхлопной газ или смесь из возвратного выхлопного газа и воздуха для горения.
Двигатель внутреннего сгорания предпочтительно содержит подводящий трубопровод, по которому вещество передается от охлаждающего устройства по меньшей мере в одну камеру сгорания. Устройство управления предпочтительно выполнено для управления охлаждающим устройством и соединено с ним кинематически таким образом, чтобы температура в охлаждающем устройстве управлялась и/или регулировалась устройством управления.
Предпочтительно устройство управления выполнено в виде электронного контроллера двигателя или входит в электронный контроллер двигателя. В устройстве управления предпочтительно имплементирован алгоритм, с помощью которого определяется точка росы вещества, подаваемого в камеру сгорания, и/или рассчитывается температура, задаваемая охлаждающему устройству, которая может быть ниже или же выше точки росы вещества в зависимости от того, должен осуществляться способ очистки камеры сгорания или нет.
Предпочтительным является также двигатель внутреннего сгорания, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере одно регистрирующее средство, предусмотренное для регистрации по меньшей мере одного параметра, по которому определяется точка росы вещества, подаваемого в камеру сгорания. Регистрирующее средство для определения точки росы кинематически соединено с устройством управления.
В одном из примеров выполнения регистрирующее средство выполнено в виде датчика давления, установленного выше или ниже по течению от охлаждающего устройства. В другом примере выполнения регистрирующее средство выполнено в виде датчика температуры, установленного выше или ниже по течению от охлаждающего устройства. В очередном примере выполнения регистрирующее средство выполнено в виде датчика влажности, установленного выше или ниже по течению от охлаждающего устройства. В другом очередном примере выполнения в виде регистрирующего средства предпочтительно предусмотрены датчики давления, температуры и влажности, которые могут быть, соответственно, установлены выше или ниже по течению от охлаждающего устройства.
Ниже изобретение более подробно поясняется со ссылкой на чертеж. При этом на единственной фигуре схематично изображен двигатель внутреннего сгорания, оборудованный для осуществления способа.
На чертеже схематично изображен пример выполнения двигателя 1 внутреннего сгорания. Последний выполнен здесь в виде двенадцати цилиндрового V-образного двигателя с первым 3 и вторым рядом 5 цилиндров, причем каждый из рядов 3, 5 цилиндров содержит шесть камер сгорания, из которых здесь для большей наглядности только одна обозначена позицией 7. В камеру 7 сгорания по подводящему трубопроводу 9 подается газообразное вещество. Последнее в изображенном примере выполнения выполнено в виде смеси, готовящейся в газосмесителе 11 из воздуха для горения и топлива 15.
В камерах сгорания 7 известным образом происходит реакция горения, причем появляются остатки, в частности отработавший газ, которые отводятся по отводящему трубопроводу 17.
Горючая смесь сжимается ниже по течению от газосмесителя 11 в компрессоре 19, который здесь приводится в действие от вала 21 турбины 23, которая, в свою очередь, приводится в действие выхлопным газом, протекающим по отводящему трубопроводу 17. Таким образом, в изображенном примере выполнения двигателя внутреннего сгорания 1 предусмотрен турбонагнетатель, содержащий компрессор 19, вал 21 и турбину 23. Альтернативно возможно, чтобы для сжатия горючей смеси ниже по течению от газосмесителя 11 был предусмотрен компрессор, приводимый в действие от коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания или от вспомогательного двигателя.
Ниже по течению от компрессора 19 установлено охлаждающее устройство 25, обтекаемое горючей смесью, причем последняя после сжатия охлаждается. Таким образом, в общем, можно увеличить заполнение камер 7 сгорания.
В изображенном примере выполнения охлаждающее устройство 25 управляется устройством 27 управления, в частности, температура в охлаждающем устройстве 25 регулируется устройством 27 управления.
В изображенном примере выполнения вниз по течению от охлаждающего устройства 25 в подводящем трубопроводе 9 для регистрации параметра горючей смеси, по которому может определяться точка росы последнего, предусмотрены три регистрирующих средства. Здесь это датчик 29 давления, датчик 31 температуры и датчик 33 влажности. Предпочтительно датчики давления, температуры и влажности 29, 31, 33 кинематически соединены с устройством 27 управления, так что последнее на основе измеренных величин, полученных с помощью датчиков 29, 31, 33, может определять точку росы горючей смеси, а температурой в охлаждающем устройстве 25 оно может управлять и/или регулировать ее таким образом, чтобы она была ниже или выше точки росы. Соответствующие кинематические связи здесь для большей наглядности изображены в неявном виде.
Если камеры сгорания следует очистить, температура в охлаждающем устройстве 25 целенаправленно понижается управляющим устройством 27 ниже точки росы, так что в охлаждающем устройстве 25 и/или ниже по течению от него в подводящем трубопроводе 9 образуется конденсат. Последний по подводящему трубопроводу 9 вместе с горючей смесью подается в камеры 7 сгорания, где конденсат в результате повышения давления и температуры вследствие реакций горения, происходящих в камерах сгорания, мгновенно испаряется. От этого отложения на стенках камер 7 сгорания отслаиваются. Они вместе с выхлопным газом могут отводиться по отводящему трубопроводу 17. Если камеры 7 сгорания чистить не надо, температура в охлаждающем устройстве 25 путем управления и/или регулирования устанавливается управляющим устройством 27 на значение выше точки росы.
Вместо охлаждающего устройства 25, выполненного здесь в виде охладителя смеси, в другом варианте осуществления двигателя внутреннего сгорания 1 для осуществления способа можно задействовать охладитель воздуха для горения, причем в качестве газообразного вещества используется воздух для горения. В другом примере выполнения двигателя внутреннего сгорания 1 для охлаждения возвратного выхлопного газа можно использовать охладитель возвратного выхлопного газа или охладитель воздуха для горения.
Если в примере выполнения двигателя внутреннего сгорания для определения точки росы газообразного вещества никакого регистрирующего средства для регистрации по меньшей мере одного параметра не предусмотрено, устройство 27 управления для осуществления способа можно запрограммировать на типичную величину относительной влажности газообразного вещества, подаваемого в камеры 7 сгорания, которая после этого становится зависимой от условий эксплуатации. В этом случае устройство 27 управления для использования в тропиках с высокой относительной влажностью запрограммировано, например, не так, как для использования в областях, в которых преобладает меньшая относительная влажность. Эта возможность также содержится в формулировке, что управляющее устройство выполнено для определения точки росы, причем в этом случае точка росы определяется программированием или считыванием из памяти.
С помощью устройства 27 управления способ можно осуществлять однократно, периодически, длительное время и/или по мере необходимости, следовательно температуру в охлаждающем устройстве 25 можно опускать ниже точки росы газообразного вещества, подаваемого в камеры 7 сгорания, однократно, периодически, на длительное время и/или по мере необходимости.
Обнаружено, что способ обращается только к и без того предусмотренным компонентам двигателя 1 внутреннего сгорания. В частности, нет необходимости ни в каком дополнительном впрыскивающем устройстве для воды, а также ни в каком специально возимом с собой запасе воды, поскольку вода, используемая для очистки камер сгорания, получается из влаги подаваемого газообразного вещества. Вместе с тем способ весьма эффективен и во время работы двигателя 1 внутреннего сгорания может осуществляться даже при полной нагрузке. Таким образом, становятся излишними трудоемкая и дорогостоящая очистка с разборкой двигателя 1 внутреннего сгорания и тем самым механическое удаление отложений.
В общем, оказывается, что способ и двигатель внутреннего сгорания дают сберегающую время и затраты возможность экономичной очистки камер 7 сгорания и, тем самым, увеличения срока службы и максимальной мощности двигателя 1 внутреннего сгорания.
1. Способ очистки камеры (7) сгорания двигателя (1) внутреннего сгорания, включающий следующие этапы: подачу газообразного вещества в охлаждающее устройство (25), причем газообразное вещество, по меньшей мере, выше по течению от охлаждающего устройства (25) имеет относительную влажность более 0%, охлаждение вещества в охлаждающем устройстве (25) ниже точки росы, так чтобы образовался конденсат воды, подачу вещества, содержащего конденсат, в камеру (7) сгорания двигателя (1) внутреннего сгорания, проведение реакции горения в камере (7) сгорания и отвод остатков из камеры (7) сгорания.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразного вещества используют газовую смесь из воздуха для горения и топлива, причем в качестве охлаждающего устройства (25) предпочтительно используют охладитель смеси.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразного вещества используют воздух для горения, причем в качестве охлаждающего устройства (25) предпочтительно используют охладитель воздуха для горения.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразного вещества используют возвратный выхлопной газ двигателя (1) внутреннего сгорания, причем в качестве охлаждающего устройства (25) предпочтительно используют охладитель возвратного выхлопного газа или охладитель воздуха для горения.
5. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что газообразное вещество сжимают выше по течению от охлаждающего устройства (25) предпочтительно с помощью компрессора или турбонагнетателя.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру в охлаждающем устройстве (25) понижают до температуры росы однократно, предпочтительно при запуске двигателя (1) внутреннего сгорания, периодически, на длительное время или по мере необходимости.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряют по
меньшей мере один параметр вещества выше или ниже по течению от охлаждающего устройства (25), причем точку росы определяют по меньшей мере по одному параметру.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что параметр выбирают из группы, состоящей из давления, температуры и относительной влажности вещества.
9. Двигатель (1) внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну камеру (7) сгорания и одно охлаждающее устройство (25) для охлаждения вещества, подаваемого в камеру (7) сгорания, отличающийся тем, что он снабжен устройством (27) управления, выполненным для определения точки росы вещества, подаваемого в камеру (7) сгорания, причем устройство (27) управления выполнено и кинематически соединено с охлаждающим устройством (25) таким образом, чтобы с его помощью температура в охлаждающем устройстве (25) опускалась ниже точки росы.
10. Двигатель (1) внутреннего сгорания по п. 9, отличающийся тем, что двигатель (1) внутреннего сгорания содержит по меньшей мере одно регистрирующее средство для регистрации по меньшей мере одного параметра, по которому определяется точка росы вещества, подаваемого в камеру (7) сгорания, причем регистрирующее средство для определения точки росы кинематически соединено с устройством (27) управления.
