способ управления газовым двигателем и система газового двигателя

Формула изобретения

1. Способ управления газовым двигателем, в котором воспламеняется и сжигается топливный газ, при этом газовый двигатель содержит:

турбонагнетатель для повышения давления окружающего воздуха и подачи воздуха к двигателю к множеству цилиндров;

первую линию подачи газа с ответвленной линией, отходящей в каждый цилиндр;

первый газовый клапан для каждого цилиндра, при этом каждый клапан установлен на ответвленной линии подачи газа и выполнен с возможностью регулирования расхода топливного газа в направлении каждого цилиндра;

газовый компрессор, предусмотренный на первой газовой линии и сжимающий топливный газ в направлении первого газового клапана через первую газовую линию так, что давление через первую газовую линию превышает давление, нагнетаемое турбонагнетателем;

при этом топливный газ через первую газовую линию и воздух через турбонагнетатель смешивают с формированием газовоздушной смеси; и

в случае, когда топливный газ имеет низкую теплотворную способность, или в случае, когда выходная мощность двигателя является высокой, двигатель дополнительно содержит:

вторую газовую линию в направлении всасываемого воздуха перед турбонагнетателем, ответвленную от линии источника подачи газа;

второй газовый клапан для регулирования потока топливного газа через вторую газовую линию в направлении всасываемого воздуха перед турбонагнетателем, регулируемый посредством двухпозиционного перемещения;

газовоздушный смеситель, предусмотренный на расположенной выше по потоку линии всасывания воздуха для всасываемого воздуха в направлении турбонагнетателя и смешивающий топливный газ через вторую газовую линию с окружающим воздухом, проводимым в направлении турбонагнетателя;

при этом топливный газ и воздух смешивают с формированием смеси заданного состава, которая является более бедной, чем нижний предел воспламеняемости относительно топливного газа, после чего смесь воздуха и топливного газа подают в турбонагнетатель, тогда как оставшийся топливный газ, который не подается в смеситель из линии источника подачи газа, направляют в каждый цилиндр через газовый компрессор и через первую газовую линию в направлении каждого цилиндра с формированием заданного состава топливовоздушной смеси в каждом цилиндре посредством регулирования первого газового клапана для каждого цилиндра; и

в случае, когда топливный газ имеет высокую теплотворную способность, или в случае, когда выходная мощность двигателя является низкой, второй газовый клапан для всасываемого воздуха закрывают так, что весь топливный газ из линии источника подачи газа направляется в каждый цилиндр через первую газовую линию.

2. Способ управления газовым двигателем по п.1, при этом двигатель дополнительно содержит:

средство определения уровней открытия первого газового клапана; и

средство определения уровней выходной мощности двигателя;

при этом в ответ на определенные уровни открытия и уровни выходной мощности второй газовый клапан для всасываемого воздуха открывают при оценке, что топливный газ имеет низкую теплотворную способность или требуется более высокая выходная мощность двигателя, в случае, когда первый газовый клапан для каждого цилиндра полностью открыт, и выходная мощность двигателя увеличивается.

3. Способ управления газовым двигателем по п.1, при этом двигатель дополнительно содержит:

средство определения уровней открытия первого газового клапана; и средство определения уровней выходной мощности двигателя;

при этом в ответ на определенные уровни открытия и уровни выходной мощности второй газовый клапан для всасываемого воздуха закрывают при оценке, что топливный газ, предназначенный для работы, изменился на топливо с высокой теплотворной способностью, или выходная мощность двигателя снижена, в случае, когда определенная выходная мощность двигателя становится низкой и ниже заданного значения.

4. Газовый двигатель и система газового двигателя, в которых воспламеняется и сжигается топливный газ, при этом газовый двигатель содержит:

турбонагнетатель для повышения давления окружающего воздуха и подачи воздуха к двигателю к множеству цилиндров;

распределительный клапан расхода наддувочного воздуха, такой как перепускной клапан выхлопного газа, управляющий расходом наддувочного воздуха через турбонагнетатель в цилиндры, при этом распределительный клапан выступает в качестве средства определения скорости воздушного потока при достижении заданного состава топливовоздушной смеси;

первую газовую линию в направлении цилиндров, при этом указанная линия соединяет ответвление линии подачи газа, предусмотренное перед каждым цилиндром, с линией источника подачи газа;

первый газовый клапан для каждого цилиндра, при этом клапан установлен на ответвлении линии подачи газа и выполнен с возможностью регулирования расхода топливного газа в направлении каждого цилиндра через первый клапан, при этом клапан выступает в качестве инжектора топливного газа для введения топливного газа под давлением в воздух, нагнетаемый турбонагнетателем, перед каждым цилиндром так, что первый газовый клапан вводит под давлением заданное количество топливного газа с формированием подлежащей сжиганию смеси воздуха и топливного газа с заданным составом топливовоздушной смеси;

газовый компрессор, предусмотренный на первой газовой линии и сжимающий топливный газ в направлении первого газового клапана через первую газовую линию так, что давление через первую газовую линию превышает давление, нагнетаемое турбонагнетателем;

при этом двигатель дополнительно содержит:

вторую газовую линию в направлении всасываемого воздуха перед турбонагнетателем, ответвленную от линии источника подачи газа;

второй газовый клапан для регулирования потока топливного газа через вторую газовую линию в направлении всасываемого воздуха перед турбонагнетателем, регулируемый посредством двухпозиционного перемещения;

газовоздушный смеситель, предусмотренный на расположенной выше по потоку линии всасывания воздуха для всасываемого воздуха в направлении турбонагнетателя и смешивающий топливный газ через вторую газовую линию с окружающим воздухом, проводимым в направлении турбонагнетателя;

при этом предусмотрено смешивание топливного газа и воздуха с формированием смеси заданного состава, которая является более бедной, чем нижний предел воспламеняемости относительно топливного газа, и подача смеси воздуха и топливного газа в турбонагнетатель, с направлением оставшегося топливного газа, который не подается в смеситель из линии источника подачи газа, в каждый цилиндр через газовый компрессор и через первую газовую линию в направлении каждого цилиндра с формированием заданного состава топливовоздушной смеси в каждом цилиндре посредством регулирования первого газового клапана для каждого цилиндра.

5. Газовый двигатель и система газового двигателя по п.4, в которых газовоздушный смеситель имеет тип трубки Вентури, при этом смеситель смешивает всасываемый воздух с топливным газом через второй газовый клапан и вторую газовую линию с получением топливовоздушной смеси с заданным составом смеси воздуха и топливного газа.

Описание изобретения к патенту

Уровень техники

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу управления газовым двигателем и системе газового двигателя, при этом двигатель снабжен: турбонагнетателем или нагнетателем, через который воздух подается в двигатель (далее в этой заявке, каждый раз, когда употребляется слово "турбонагнетатель", оно может с равным успехом заменяться на "нагнетатель"); первым газораспределительным клапаном, который регулирует расход топливного газа, который должен подаваться в каждый цилиндр двигателя; при этом топливный газ, который регулируется посредством первого газового клапана, и воздух, который подается через турбонагнетатель, смешивают с формированием заданного состава топливовоздушной смеси; и в двигателе сжигается подаваемый топливный газ согласно заданному составу топливовоздушной смеси; в частности, двигатель может работать на основе регулирования состава топливовоздушной смеси с высокой точностью даже в случае, когда используется топливный газ с низкой теплотворной способностью, который подвержен варьированию теплотворной способности.

Описание предшествующего уровня техники

Традиционный небольшой газовый двигатель, такой как двигатель с диаметром цилиндра приблизительно 200 мм или менее, обычно приспосабливает систему смешения топливного газа, в которой топливный газ и воздух смешиваются выше всасывания воздуха перед турбонагнетателем, в то время когда смесь воздуха и топливного газа подается в основные камеры сгорания, т.е. цилиндры, через турбонагнетатель (т.е. его компрессор) и воздухоохладитель.

С другой стороны, в традиционных больших газовых двигателях топливный газ подается в каждый цилиндр через подводящий патрубок для наддувного воздуха непосредственно перед каждым цилиндром и через распределительный клапан подачи газа для каждого цилиндра, поскольку, как правило, подача топливного газа должна быть однородной для всех цилиндров по количеству, а также по распределению концентрации газа. Таким образом, не только составы топливовоздушной смеси и количества топлива по цилиндрам могут быть согласованы, но также наддув топливного газа упрощается; дополнительно, поскольку топливный газ и воздух смешиваются непосредственно перед каждым цилиндром, протяженность потока потенциально огнеопасной газовоздушной смеси, который формируется до каждого цилиндра, может быть сокращена с тем, чтобы повышать безопасность в эксплуатации двигателя относительно рисков взрыва.

Тем самым, следует отметить, что вышеупомянутый распределительный клапан подачи газа для каждого цилиндра также называется первым газовым клапаном в этом подробном описании; а первый газовый клапан зачастую называется впускным клапаном для газа в укрупненной области техники газовых двигателей, поскольку он является клапаном, который предусмотрен в каждом цилиндре газового двигателя в принципе; с другой стороны, как описано ниже в этом подробном описании, термин, а именно второй газовый клапан, вводится для распределительного клапана подачи топливного газа, который подает топливный газ во всасываемый воздух. Дополнительно линия подачи топливного газа, которая соединяется с первым газовым клапаном, называется первой газовой линией в этом подробном описании; аналогичным образом, вторая газовая линия задается в ответ на второй газовый клапан.

Патентная ссылка 1 (JP2001-132550) раскрывает технологию, в которой комбинируются способы подачи топливного газа упомянутых малых и больших газовых двигателей. В газовом двигателе согласно ссылке 1 топливный газ, сжатый под давлением посредством газового компрессора, подается во входное отверстие цилиндра воздушного канала турбонаддува или цилиндра, тогда как топливный газ, который не сжимается посредством компрессора, подается в сторону выше по потоку относительно линии всасывания воздуха перед турбонагнетателем, из линии притока газа (источника газа) перед газовым компрессором; дополнительно подача топливного газа может быть переключена с линии в направлении входного отверстия цилиндра на линию в направлении стороны выше по потоку относительно линии всасывания воздуха перед турбонагнетателем, и наоборот.

В большом газовом двигателе, в котором топливный газ подается во входное отверстие цилиндра воздушного канала турбонаддува или цилиндра, необходимо, чтобы давление топливного газа во входном отверстии цилиндра было более высоким, чем давления наддутого воздуха. Как результат, в случае топливного газа с низкой теплотворной способностью, т.е. газа с низкой теплотворной способностью, такого как горный метан, необходим газовый компрессор большой емкости, с тем чтобы сжимать топливный газ с низким давлением (значительно меньше окружающего давления) и большим расходом.

С другой стороны, в газовом двигателе с системой топливоснабжения, в которой топливный газ подается в сторону выше по потоку относительно линии всасывания воздуха перед турбонагнетателем, огнеопасная смесь воздуха и топливного газа сжимается в состояние высокой температуры и высокого давления в ответ на процесс по существу адиабатического сжатия через компрессор турбонагнетателя; следовательно, возникают потенциальные риски газового взрыва до тех пор, пока упомянутая система топливоснабжения используется.

В вышеописанных условиях патентная ссылка 2 (JP2006-244954) раскрывает технологию относительно устройства подачи газа и его способа работы для вышеуказанных больших газовых двигателей. В технологии согласно ссылке 2 устройство, работающее от топливного газа, содержит:

вторую линию подачи топливного газа, т.е. вторую газовую линию, через которую часть топливного газа смешивается с воздухом, который вводится посредством компрессора турбонагнетателя;

первую линию подачи топливного газа, т.е. первую газовую линию, через которую оставшаяся часть или весь топливный газ смешиваются с воздухом или топливовоздушной смесью в ответвлении линии подачи газа выше по потоку относительно каждого цилиндра;

распределительный клапан подачи газа, т.е. второй газовый клапан, для всасываемого воздуха, при этом клапан регулирует количество топливного газа (расход), который должен подаваться через компрессор турбонагнетателя;

распределительный клапан подачи газа, т.е. первый газовый клапан, для каждого цилиндра, при этом клапан регулирует количество топливного газа (расход), который должен подаваться через ответвление линии подачи газа выше по потоку относительно каждого цилиндра;

газовый компрессор (топливного газа), который предусмотрен в стороне выше по потоку относительно первой линии подачи топливного газа;

при этом количество (расход) топливного газа через вторую газовую линию регулируется посредством регулирования уровней открытия второго газового клапана для всасываемого воздуха так, что концентрация поданного топливного газа в смеси воздуха и топливного газа, которая протекает через компрессор турбонагнетателя, поддерживается меньше нижнего предела (обеднение) воспламеняемости относительно топливного газа.

Согласно вышеописанному раскрытию сущности полностью исключены потенциальные риски взрыва топливного газа, который может возникать рядом с нагнетательным отверстием компрессора турбонагнетателя; дополнительно, размер и емкость компрессора газа (топливного газа), который сжимает топливный газ и подает топливный газ в ответвление линии подачи газа выше по потоку относительно каждого цилиндра, может уменьшаться из-за меньшего потребления энергии даже в случае, когда используется топливный газ с низкой теплотворной способностью.

Тем самым, следует отметить помимо этого то, что патентная ссылка 2 использует технологию, начало которой идет из больших газовых двигателей, которые оснащены первыми газовыми клапанами в принципе, тогда как небольшие газовые двигатели не оснащены первым газовым клапаном, присоединяемым к каждому цилиндру в целом; а именно небольшой газовый двигатель включает в себя газовый клапан, который подает топливный газ в направлении линии всасывания воздуха двигателя. Газовый клапан, который подает топливный газ в направлении линии всасывания воздуха, называется вторым газовым клапаном в этом подробном описании.

Дополнительно, также следует отметить, что все содержимое патентной ссылки 2 (JP2006-244954; заявка номер 2006-244954, поданная 14 сентября 2006 г. в Патентное ведомство Японии), включено путем ссылки в данный документ.

Как описано выше, согласно ссылке 2, газовый двигатель может быть реализован, при этом может быть обеспечено достаточное количество (расход) топливного газа, и помимо этого, компрессор топливного газа может иметь меньший размер и емкость. Тем не менее, предложена дополнительная передовая технология, посредством которой количество топливного газа (расход) через вторую газовую линию в направлении компрессора турбонагнетателя может точно регулироваться с помощью простого механизма, и дополнительная передовая технология может предоставлять способ управления, который должен применяться даже к случаю, когда теплотворная способность топливного газа непрерывно варьируется.

Сущность изобретения

Ввиду вышеуказанной традиционной технологии и ее ожидаемых решений настоящее раскрытие сущности нацелено на предоставление способа управления газовым двигателем и системой газового двигателя, посредством которого высокоточное управление составом топливовоздушной смеси может достигаться даже в случае, когда используется топливный газ с низкой теплотворной способностью, который подвержен варьированию по теплотворной способности.

Чтобы достигать вышеописанных целей, настоящее описание изобретения раскрывает способ управления газовым двигателем, в котором воспламеняется и сжигается топливный газ, причем газовый двигатель содержит:

турбонагнетатель для сжатия окружающего воздуха и подачи воздуха к двигателю, а именно к множеству цилиндров;

первую газовую линию в направлении цилиндров, соединяющую ответвление линии подачи газа, предусмотренное выше по потоку относительно каждого цилиндра, с линией источника подачи газа;

первый газовый клапан для каждого цилиндра, установленный на ответвлении линии подачи газа и выполненный с возможностью регулирования расхода топливного газа в каждый цилиндр;

газовый компрессор, предусмотренный на первой газовой линии и сжимающий топливный газ в направлении первого газового клапана через первую газовую линию так, что давление через первую газовую линию превышает давление, нагнетаемое турбонагнетателем;

при этом топливный газ через первую газовую линию и воздух через турбонагнетатель смешивают с формированием газовоздушной смеси; и

в случае, когда топливный газ имеет низкую теплотворную способность, или в случае, когда двигатель работает при превышающей половинную нагрузку, двигатель дополнительно содержит:

вторую газовую линию в направлении турбонагнетателя, ответвленную от линии источника подачи газа;

второй газовый клапан для всасываемого воздуха, предусмотренный на второй газовой линии в направлении турбонагнетателя и регулируемый посредством двухпозиционного перемещения;

газовоздушный смеситель, предусмотренный на расположенной выше по потоку линии всасывания воздуха турбонагнетателя и смешивающий топливный газ через вторую газовую линию с окружающим воздухом, проводимым в направлении турбонагнетателя;

при этом топливный газ и воздух смешивают с формированием смеси заданного состава, которая является более бедной, чем нижний предел воспламеняемости относительно топливного газа, и смесь воздуха и топливного газа подают в турбонагнетатель, тогда как оставшийся топливный газ, который не подается в смеситель от линии источника подачи газа, отправляют в каждый цилиндр через газовый компрессор и через первую газовую линию в направлении каждого цилиндра с формированием заданного состава топливовоздушной смеси в каждом цилиндре посредством регулирования первого газового клапана для каждого цилиндра; и

в случае, когда топливный газ имеет высокую теплотворную способность, или в случае, когда выходная мощность двигателя является низкой, второй газовый клапан для всасываемого воздуха закрывают так, что весь топливный газ из линии источника подачи газа направляют в каждый цилиндр через первую газовую линию.

Согласно настоящему изобретению часть топливного газа может подаваться во всасываемый воздух двигателя, который вводится посредством турбонагнетателя, в случае если количество топливного газа, который должен подаваться, является большим, что имеет место, когда топливный газ имеет низкую теплотворную способность или выходная мощность двигателя является высокой; таким образом, может быть реализовано точное регулирование состава топливовоздушной смеси, при этом обеспечивается необходимое количество топлива. Другими словами, двигатель снабжен смесителем, который смешивает топливный газ с приточным воздухом так, что концентрация топливной воздушной смеси меньше заданной концентрации ниже предела обеднения воспламеняемости относительно топливного газа; таким образом, компрессор топливного газа, который размещен в первой газовой линии в направлении каждого цилиндра, может иметь меньший размер и емкость; дополнительно потенциальные риски взрыва топливного газа в канале подачи воздуха могут исключаться; более того, поскольку смеситель дает в результате топливовоздушную смесь заданной концентрации, регулирование состава топливовоздушной смеси в первом газовом клапане для каждого цилиндра может упрощаться.

Кроме того, согласно другому аспекту настоящего изобретения двигатель дополнительно содержит средство определения уровней открытия первого газового клапана и средство определения уровней выходной мощности двигателя, при этом уровень открытия вышеуказанного первого газового клапана, а также выходная мощность двигателя определяются в ходе работы так, что второй газовый клапан для всасываемого воздуха открывается при оценке, что топливный газ имеет низкую теплотворную способность или более высокая выходная мощность двигателя требуется в случае, когда первый газовый клапан для каждого цилиндра полностью открыт, и выходная мощность двигателя увеличивается.

Таким образом, то, действительно ли подача топливного газа через смеситель необходима, может быть просто и надлежащим образом оценено; таким образом, может быть реализовано точное регулирование состава топливовоздушной смеси.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения второй газовый клапан для всасываемого воздуха закрывают при оценке, что топливный газ, предназначенный для работы, изменился на топливо с высокой теплотворной способностью или выходная мощность двигателя уменьшается, в случае, когда определенная выходная мощность двигателя становится низкой и меньше заданного значения.

Таким образом, верхнее пороговое значение относительно максимального регулируемого расхода топливного газа является предварительно заданным; и в случае, когда расход топливного газа становится меньше верхнего порогового значения в качестве заданного значения, второй газовый клапан для всасываемого воздуха закрывается, и полный расход топливного газа регулируется только посредством первого газового клапана для каждого цилиндра. Таким образом, расход топливного газа может просто и точно регулироваться.

Дополнительно настоящее изобретение раскрывает устройство управления двигателя, который снабжен не только первым газовым клапаном для каждого цилиндра, но также и распределительным клапаном расхода наддувочного воздуха, таким как перепускной клапан выхлопного газа, который управляет расходом наддувочного воздуха через турбонагнетатель в цилиндры, при этом распределительный клапан выступает в качестве средства определения скорости воздушного потока при достижении заданного состава топливовоздушной смеси, причем первый газовый клапан для каждого цилиндра выступает в качестве инжектора топливного газа для впрыскивания под давлением топливного газа в воздух турбонаддува так, что топливовоздушная смесь с требуемым составом топливовоздушной смеси подается в каждый цилиндр; при этом устройство управления дополнительно снабжено: второй газовой линией в направлении всасываемого воздуха перед турбонагнетателем, ответвленной от линии источника подачи газа с соединением с линией всасывания воздуха в направлении компрессора турбонагнетателя, причем линия содержит второй газовый клапан для всасываемого воздуха с двухпозиционным регулированием; линией подачи газа в направлении цилиндров, ответвленной от линии источника подачи газа, причем линия содержит газовый компрессор, который повышает давление топливного газа так, чтобы топливный газ мог протекать в наддувочный воздух; смесителем, предусмотренным на расположенной выше по потоку линии всасывания воздуха в направлении турбонагнетателя и смешивает топливный газ через вторую газовую линию с окружающим воздухом, проводимым в направлении турбонагнетателя так, что концентрация топливовоздушной смеси поддерживается ниже заданной концентрации ниже предела обеднения воспламеняемости относительно топливного газа.

Дополнительно предпочтительно, чтобы упомянутый смеситель имел тип трубки Вентури, и воздух, и топливный газ смешивались так, чтобы мог достигаться заданный состав топливовоздушной смеси.

Как описано выше, настоящее изобретение может предоставлять собой способ управления газовым двигателем и системой газового двигателя, посредством которого регулирование состава топливовоздушной смеси с высокой точностью может достигаться даже в случае, когда используется топливный газ с низкой теплотворной способностью, который подвержен варьированию по теплотворной способности.

Более конкретно может быть реализовано точное регулирование состава топливовоздушной смеси, при этом обеспечивается необходимое количество топлива, таким образом, что часть топливного газа подается во всасываемый воздух двигателя, который вводится посредством турбонагнетателя, только в случае, когда количество подаваемого топливного газа увеличивается, что имеет место, когда топливный газ имеет низкую теплотворную способность или выходная мощность двигателя является высокой. Другими словами, газовый компрессор может иметь меньший размер и емкость посредством предоставления смесителя, который смешивает топливный газ с всасываемым воздухом так, что концентрация топливовоздушной смеси не превышает заданного значения концентрации ниже предела обеднения воспламеняемости относительно топливного газа, а также посредством подачи топливного газа через смеситель в случае, когда требуется большое количество топливного газа; дополнительно потенциальные риски взрыва топливного газа в канале подачи воздуха могут исключаться; более того, поскольку смеситель дает в результате топливовоздушную смесь заданной концентрации, регулирование состава топливовоздушной смеси в первом газовом клапане для каждого цилиндра может упрощаться.

Кроме того, в настоящем изобретении может быть просто и надлежащим образом оценено, действительно ли подача топливного газа через смеситель необходима, и второй газовый клапан для всасываемого воздуха назначается для открытия в ответ на оценку в случае, когда первый газовый клапан для каждого цилиндра полностью открыт, и выходная мощность двигателя увеличивается; таким образом, может быть реализовано точное регулирование состава топливовоздушной смеси.

Помимо этого, в случае, когда выходная мощность двигателя падает ниже заданного значения, второй газовый клапан для всасываемого воздуха закрывается; это также предназначено для того, чтобы достигать простого и точного управления (регулирования) согласно этому изобретению.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение далее подробно описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления изобретения и прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 показан двухмерный схематический чертеж системы газового двигателя в качестве варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

на фиг.2 показана схема управления подачей топливного газа согласно варианту осуществления; и

на фиг.3 показана схема управления подачей топливного газа согласно традиционной технологии.

Следует отметить, что соответствующая традиционная технология проиллюстрирована не сначала, а на фиг.3,a-c, поскольку традиционная технология может быть просто пояснена в отличие от представленного варианта осуществления, т.е., предыдущих чертежей.

Подробное описание изобретения

Далее настоящее изобретение подробно описывается со ссылкой на варианты осуществления, показываемые на чертежах. Тем не менее, размеры, материалы, форма, относительное размещение и т.п. компонентов, описываемых в этих вариантах осуществления, не должны считаться ограничением объема изобретения, если иное не указано конкретно.

Как описано выше, на фиг.1 показан двухмерный схематический чертеж системы газового двигателя в качестве варианта осуществления согласно настоящему изобретению; на фиг.2 показана схема управления подачей топливного газа согласно варианту осуществления; и на фиг.3 показана схема управления подачей топливного газа согласно традиционной технологии.

Вследствие этого приводится пояснение конфигурации газового двигателя, например с газовым двигателем с наддувом для приведения в действие генератора, причем двигатель содержит предкамеру для зажигания; тем не менее, варианты применения настоящего изобретения не ограничены этим примером. На практике газовый двигатель может быть типом двигателя без предкамеры. Как проиллюстрировано на фиг.1, генератор 13 является приводимой нагрузкой в качестве предпочтительного примера; как и следовало ожидать, приводимая нагрузка не ограничена генератором.

Со ссылкой на фиг.1 поясняется двухмерный схематичный чертеж системы газового двигателя. На чертеже:

компонент с номером 1 - это двигатель (газовый двигатель);

номер 4 показывает крышку цилиндра для каждого цилиндра двигателя 1;

номер 13 показывает генератор, приводимый непосредственно посредством двигателя 1;

номер 14 показывает маховик;

номер 7 показывает вал, посредством которого турбина 7a выхлопного газа приводит в действие компрессор 7b;

номер 3 показывает подводящий патрубок для наддувного воздуха, который соединяется с впускным отверстием для наполнения каждой крышки 4 цилиндра;

номер 2 показывает коллектор наддувного воздуха, который соединяет выпускное отверстие для наполнения компрессора 7b с подводящим патрубком 3 для наддувного воздуха;

номер 9 показывает воздухоохладитель, который охлаждает воздух турбонаддува, проходящий через коллектор 2 наддувного воздуха.

Дополнительно:

номер 5 показывает патрубок для выхлопных газов, который соединяется с выпускным отверстием каждой крышки 4 цилиндра;

номер 6 показывает главный выпускной коллектор, а именно сконцентрированный объем для выхлопного газа, при этом объем вводится для того, чтобы реализовать систему с постоянным наддувом;

номер 110 показывает выпускную трубу выхлопного газа, через которую выхлопной газ двигателя выпускается из выпускного отверстия турбины 7a выхлопного газа в атмосферу;

номер 11 показывает обводную трубу выхлопного газа, которая отклоняется от впускного отверстия турбины 7a выхлопного газа, обходит турбину 7a выхлопного газа и соединяется с выпускной трубой 110 выхлопного газа на выходной стороне турбины 7a;

номер 12 показывает перепускной клапан выхлопного газа, область сужения которого является переменной;

номер 10a показывает канал для всасывания воздуха в направлении турбонагнетателя, через который окружающий воздух вводится в направлении цилиндров через компрессор 7b турбонагнетателя;

номер 10 показывает газовоздушный смеситель, предусмотренный частично вдоль канала 10a для всасывания воздуха в направлении турбонагнетателя;

номер 21 показывает линию источника подачи газа, через которую топливный газ из бака для топливного газа (не показан) подается в двигатель, при этом вторая газовая линия 211 в направлении всасываемого воздуха, наводимого посредством турбонагнетателя, или в направлении газовоздушного смесителя, а также первая газовая линия 212 в направлении каждого цилиндра ответвляются от линии 21 источника подачи газа.

В отношении вышеописанного вторая газовая линия 211 соединяется с газовоздушным смесителем 10, предусмотренным частично вдоль канала 10a для впуска воздуха в направлении турбонагнетателя, тогда как первая газовая линия 212 ответвляется, частично вдоль первой газовой линии, в направлении ответвления 213 линии подачи газа в каждом цилиндре, при этом ответвление 213 соединяется с подводящим патрубком 3 для наддувного воздуха. Газовоздушный смеситель допускает подачу топливного газа во всасываемый воздух так, что концентрация топливовоздушной смеси поддерживается ниже заданной концентрации ниже предела обеднения воспламеняемости относительно топливного газа; предпочтительно, используется смеситель типа трубки Вентури.

На фиг.1 номер 18 показывает газовый компрессор, предусмотренный на линии 212 и повышает давление топливного газа так, что топливный газ, проходящий через линию 212, может протекать в наддувочный воздух;

номер 19 показывает второй газовый клапан для всасываемого воздуха на второй газовой линии 211; этот второй газовый клапан регулирует поток топливного газа через линию 211 с двухпозиционным (открытие-закрытие) регулированием; номер 20 показывает первый газовый клапан, предусмотренный на ответвлении линии подачи газа в каждый цилиндр; поток топливного газа через каждый клапан 20 регулируется посредством варьирования его области сужения так, чтобы регулировать расход топливного газа в каждый отдельный цилиндр двигателя.

Дополнительно номер 15 показывает датчик частоты вращения двигателя, который измеряет скорость вращения двигателя-генератора; номер 013 показывает датчик нагрузки, а именно датчик нагрузки двигателя; номер 17 показывает датчик давления наддувного воздуха, который измеряет давление в коллекторе 2 наддувного воздуха; номер 16 показывает датчик температуры наддувного воздуха, который измеряет температуру в коллекторе 2 наддувного воздуха; номер 021 показывает расходометр, который измеряет расход топливного газа через вторую газовую линию 211.

Еще дополнительно номер 24 обозначает регулятор частоты вращения двигателя; номер 23 обозначает регулятор состава топливовоздушной смеси; номер 22 обозначает регулятор количества газа;

при этом:

определенный сигнал частоты вращения двигателя от датчика 15 частоты вращения двигателя выводится в регулятор 24 частоты вращения двигателя, регулятор 23 состава топливовоздушной смеси и регулятор 22 количества газа;

определенный сигнал нагрузки двигателя от датчика 013 нагрузки двигателя выводится в регулятор 23 состава топливовоздушной смеси;

определенный сигнал давления наддувного воздуха от датчика 17 давления наддувного воздуха выводится в регулятор 23 состава топливовоздушной смеси и регулятор 22 количества газа;

определенный сигнал расхода топливного газа от расходометра 021 выводится в регулятор 22 количества газа.

Регулятор 24 частоты вращения двигателя, в общем, является электрическим регулятором, и регулятор регулирует уровни открытия первого газового клапана 20 для каждого цилиндра в качестве ответной реакции на определенные сигналы частоты вращения двигателя от датчика 15 частоты вращения двигателя.

Регулятор 23 состава топливовоздушной смеси регулирует уровни открытия перепускного клапана 12 выхлопного газа с помощью средства, описанного ниже, в ответ на определенные сигналы частоты вращения двигателя от датчика 15 частоты вращения двигателя, определенные сигналы нагрузки от датчика 013 нагрузки, определенные сигналы давления наддувного воздуха от датчика 17 давления наддувного воздуха и определенные сигналы температуры наддувного воздуха от датчика 16 температуры наддувного воздуха.

В ходе работы газового двигателя топливный газ из линии 21 (источника) подачи газа протекает в линию 212 или протекает в линии 212 и 211. Вторая газовая линия 211 проводит топливный газ в направлении газовоздушного смесителя 10, где топливный газ смешивается с воздухом, протекающим по каналу 10a для впуска воздуха в направлении турбонагнетателя; при этом топливовоздушная смесь вводится в компрессор 7b турбонагнетателя. Давление смеси повышается до состояния высокого давления и температуры посредством процесса по существу адиабатического сжатия через компрессор 7b турбонагнетателя; смесь охлаждается посредством воздухоохладителя 9 и протекает в подводящие патрубки 3 для наддувного воздуха после прохождения через коллектор 2 наддувного воздуха.

Топливный газ, который протекает в линию 212, а именно первую газовую линию 212, сжимается посредством газового компрессора 18; затем после прохождения через каждое ответвление 213 линии подачи газа в направлении цилиндров двигателя топливный газ протекает к подводящим патрубкам 3 для наддувного воздуха и смешивается с воздухом или вышеописанной топливовоздушной смесью через коллектор 2 наддувного воздуха.

С другой стороны, выхлопной газ из цилиндров двигателя 1 протекает через патрубки 5 для выхлопного газа и поступает в главный выпускной коллектор; затем выхлопной газ поступает в турбину 7a выхлопного газа; и после приведения в действие компрессора 7b выхлопной газ выпускается в атмосферу через выпускную трубу для выхлопного газа.

Дополнительно, когда перепускной клапан 12 выхлопного газа открывается в ответ на сигнал команды управления от регулятора 23 состава топливовоздушной смеси способом, описанным ниже, то часть выхлопного газа в главном выпускном коллекторе обходит турбину 7a выхлопного газа и выпускается непосредственно в направлении выпускной трубы 11 выхлопного газа.

В отношении вышеуказанной конфигурации двигателя способ управления двигателя далее подробнее описывается.

Сначала поясняется традиционный способ управления в качестве противопоставляющего примера для настоящего изобретения с помощью фиг.3,a-c. Фиг.3,a показывает распределение нагрузки относительно поршневого двигателя внутреннего сгорания; фиг.3,b показывает распределение относительно управляющего сигнала, который передается в первый газовый клапан для каждого цилиндра; и фиг.3,с показывает распределение относительно управляющего сигнала, который передается во второй газовый клапан для всасываемого воздуха. Как показано на фиг.3,a-c, при традиционном способе управления уровни открытия первого газового клапана для каждого цилиндра управляются в ответ на уровни нагрузки двигателя, чтобы регулировать скорости расхода газа. Таким образом, при традиционном способе, в котором второй газовый клапан для всасываемого воздуха не предусмотрен, только первый газовый клапан для каждого цилиндра регулирует количество топлива для каждого цилиндра; а именно традиционный способ соответствует способу, в котором управляющий сигнал для топлива в направлении второго газового клапана для всасываемого воздуха всегда нулевой в варианте осуществления по фиг.1.

С другой стороны, фиг.2,a-c поясняют способ управления в качестве варианта осуществления этого изобретения.

Фиг.2,a показывает распределение нагрузки относительно двигателя согласно варианту осуществления этого изобретения; фиг.2,b показывает распределение относительно управляющего сигнала, который передается в первый газовый клапан для каждого цилиндра; и фиг.2,c показывает распределение относительно управляющего сигнала, который передается во второй газовый клапан для всасываемого воздуха. В варианте осуществления, показанном на фиг.2,a-c, второй газовый клапан для всасываемого воздуха открывается в случае, когда топливный газ имеет низкую теплотворную способность или выходная мощность двигателя является высокой; и топливный газ подается в двигатель как через второй газовый клапан для всасываемого воздуха, так и через первый газовый клапан для каждого цилиндра. В случае, когда топливный газ имеет высокую теплотворную способность, или в случае, когда выходная мощность двигателя является низкой, второй газовый клапан для всасываемого воздуха закрывается; и топливный газ подается только через первый газовый клапан для каждого цилиндра.

Более конкретно уровни открытия первого газового клапана для каждого цилиндра и уровни нагрузки двигателя определяются; и второй газовый клапан для всасываемого воздуха открывается в случае, когда уровни открытия первого газового клапана для каждого цилиндра являются полными (т.е. 100%) или практически полными (т.е. больше предварительно определенного уровня), и уровни нагрузки двигателя увеличиваются, как показано рядом с точкой времени A на фиг.2,c. Дополнительно топливовоздушная смесь с предварительно определенным составом топливовоздушной смеси достигается в вышеупомянутом смесителе; помимо этого, уровни открытия первого газового клапана для каждого цилиндра регулируются так, что состав топливовоздушной смеси для топливовоздушной смеси непосредственно перед каждым цилиндром имеет предварительно определенный уровень (конечный состав топливовоздушной смеси относительно топливовоздушной смеси, которая сжигается в каждом цилиндре). В этой связи следует отметить, что уровни открытия первого газового клапана для каждого цилиндра понижаются с полного уровня, тогда как уровни открытия второго газового клапана для всасываемого воздуха являются полными (100%) или практически полными, например, в ходе процесса во времени от точки времени A до точки времени B на фиг.2,c.

Дополнительно первый газовый клапан для каждого цилиндра регулирует расход топливного газа относительно уровней нагрузки двигателя, тогда как второй газовый клапан для всасываемого воздуха является полностью открытым (100%); при этом топливовоздушная смесь имеет предварительно определенный состав топливовоздушной смеси, т.е. смесь, которая включает в себя воздух, вводимый посредством турбонагнетателя, и топливо, подаваемое через первый газовый клапан для каждого цилиндра, смешивается непосредственно перед каждым цилиндром так, что предварительно определенный состав топливовоздушной смеси для конечной топливовоздушной смеси достигается. Тем самым, подтверждается то, что конечная топливовоздушная смесь означает топливовоздушная смесь, которая сжигается в каждом цилиндре.

Еще дополнительно при условии, что второй газовый клапан для всасываемого воздуха открыт, и уровни нагрузки двигателя определены, когда определенный уровень нагрузки двигателя становится меньше предварительно определенного уровня, то второй газовый клапан для всасываемого воздуха закрывается, и регулирование состава топливовоздушной смеси выполняется только посредством первого газового клапана для каждого цилиндра на основе того, что используемый топливный газ имеет высокую теплотворную способность, или выходная мощность двигателя становится низкой; эта ситуация проиллюстрирована в районе точки времени C на фиг.2,c.

Как описано выше, максимальный расход как пороговое значение второго газового клапана для всасываемого воздуха вычисляется заранее; и когда расход через упомянутый клапан становится меньше или равным пороговому значению, то второй газовый клапан для вводимого воздуха закрывается, и только первый газовый клапан для каждого цилиндра регулирует скорость расхода топлива. Таким образом, может достигаться точное и простое управление.

В варианте осуществления, описанном выше, посредством того способа, что топливный газ подается во всасываемый воздух, наводимый посредством турбонагнетателя только в случае, когда подача топливного газа осуществляется на большей, чем предварительно определенная, интенсивности, как имеет место, когда топливный газ имеет низкую теплотворную способность или выходная мощность двигателя является высокой, требуемая подача топливного газа точно достигается. Дополнительно в описываемом варианте осуществления предоставляется газовый смеситель, который достигает смеси топливного газа с концентрацией ниже предела обеднения воспламеняемости относительно топливного газа; и часть требуемого количества топливного газа подается через смеситель в случае, когда необходима большая скорость расхода топлива; таким образом, размер и емкость газового компрессора могут быть уменьшены; дополнительно потенциальные риски взрыва топливного газа в канале подачи воздуха могут исключаться; более того, поскольку смеситель дает в результате топливовоздушную смесь заданной концентрации, регулирование состава топливовоздушной смеси в первом газовом клапане для каждого цилиндра может упрощаться.

Кроме того, поскольку то, необходима или нет подача топливного газа через смеситель, может быть просто и надлежащим образом оценено в описываемом варианте осуществления, и второй газовый клапан для всасываемого воздуха назначается для открытия в ответ на оценку в случае, когда первые газовые клапаны для каждого цилиндра полностью открыты, и выходная мощность двигателя увеличивается, может быть реализовано точное регулирование состава топливовоздушной смеси.

Помимо этого, в случае, когда выходная мощность двигателя падает ниже заданного значения, то второй газовый клапан для всасываемого воздуха закрывается, выступая в качестве простого и точного управления.

Промышленная применимость

Описываемый вариант осуществления предоставляет газовый двигатель, содержащий:

первую систему подачи топливного газа, в которой топливный газ смешивается с всасываемым воздухом, вводимым посредством турбонагнетателя двигателя, и топливовоздушная смесь подается в двигатель через турбонагнетатель;

вторую систему подачи топливного газа, в которой топливный газ подается в канал для наддувного воздуха каждого цилиндра;

при этом потенциальные риски детонации топливного газа в канале подачи воздуха, в выпускном отверстии компрессора турбонагнетателя, могут исключаться;

кроме того, в случае, когда топливный газ с низкой теплотворной способностью используется, меньшая мощность требуется для того, чтобы приводить в действие газовый компрессор, чем требовалась бы в ином случае, при этом газовый компрессор предусмотрен во второй системе подачи топливного газа для подачи под давлением топливного газа в канал для наддувного воздуха каждого цилиндра;

дополнительно размер и емкость газового компрессора меньше, чем требовались бы в ином случае.

Таким образом, вариант осуществления, раскрытый в этом подробном описании, является полезным в качестве промышленной технологии.