Способ приготовления топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания и система питания для двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: способ включает подогрев топлива под давлением до состояния перегрева, последующую подачу топлива порциями в испарительное устройство и испарение каждой порции топлива в вакуумной полости, а затем подачу в испарительное устройство воздуха, перемешивание его с парами топлива и выпуска готовой смеси во всасывающий коллектор двигателя. Одновременно с топливом в испарительное устройство может быть подана перегретая вода. Система питания для ДВС содержит воздушный насос, топливный насос, устройство подогрева топлива под давлением и испарительное устройство в виде пластинчато-роторного вакуумного насоса. Полость всасывания вакуумного насоса сообщена каналами с воздушным насосом и устройством подогрева топлива, причем в каждом из этих каналов установлены клапаны. Полость нагнетания вакуумного насоса сообщена со всасывающим коллектором двигателя. Система питания может быть снабжена также водяным насосом и устройством подогрева воды, связанным с полостью всасывания воздушного насоса. Топливный и водяной насосы могут быть выполнены пластинчато-роторными и их роторы могут быть установлены на одном валу с ротором вакуумного насоса. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к карбюраторным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), работающим на жидком топливе, в частности к способам и устройствам приготовления топливовоздушной смеси.

Известны способы приготовления топливовоздушной смеси для ДВС путем подачи топлива на поверхность теплообменника, обогреваемого теплом отработавших газов, испарения топлива в потоке воздуха, движущегося в направлении, совпадающем с направлением движения потока испаряемого топлива или противоположном ему, и подачи топливовоздушной смеси во впускной коллектор двигателя [1] Недостатками известных способов является то, что испарение топлива происходит медленно, причем различные фракции топлива испаряются неодновременно. Это приводит к неконтролируемым изменениям состава топливовоздушной смеси и затрудняет регулирование ее состава. Кроме того, поток воздуха захватывает также неиспарившиеся частицы топлива, что ухудшает качество смеси.

Известны системы питания для ДВС, реализующие эти известные способы и содержащие топливоподающее устройство, воздушную магистраль, испарительное устройство в виде теплообменника, обогреваемого отработавшими газами, внутри или снаружи которого образован воздушный канал, соединяющий воздушную магистраль и впускной патрубок двигателя.

Недостатками известных систем питания является трудность регулирования состава смеси, большая потребная испарительная поверхность теплообменника.

Известен также способ приготовления топливовоздушной смеси для ДВС, включающий подачу топлива в испарительное устройство, нагрев и испарение в нем топлива за счет тепла отработавших газов, подачу воздуха, перемешивание паров топлива с воздухом и подачу топливовоздушной смеси во впускной коллектор двигателя [2]Этот способ благодаря отсутствию контакта между воздухом и жидким топливом в испарителе исключает попадание капель топлива в смесь, что улучшает гомогенность смеси.

Недостатком известного способа является низкая интенсивность и соответственно большая длительность испарения топлива, а также сложность регулирования состава смеси.

Известен также способ приготовления топливовоздушной смеси для ДВС путем подогрева топлива под давлением до состояния перегрева, последующей подачи топлива порциями в испарительное устройство, испарения топлива и перемешивания паров топлива с воздухом [4] который является наиболее близким к предлагаемому способу и принят в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является трудность получения высокодисперсной гомогенной смеси.

Известна также система питания для ДВС, включающая топливоподающее устройство в виде струйного насоса, магистраль подачи воздуха, устройство предварительного подогрева топлива, испарительное устройство, связанное с устройством подогрева топлива воздушной магистралью и впускным коллектором, причем испарительное устройство выполнено в виде теплообменника, расположенного на выхлопной трубе двигателя. Система питания включает также клапаны, установленные на линиях подачи топлива в испарительное устройство и подачи топливовоздушной смеси во впускной коллектор [3] Недостатками известной системы питания для ДВС являются трудность регулирования состава топливовоздушной смеси, поскольку количество испаренного топлива и скорость испарения зависят от количества тепла отработавших газов, поступивших в испаритель теплообменник.

Известна также система питания для ДВС, содержащая магистраль подачи воздуха, топливный насос, устройство подогрева топлива и испарительное устройство для топлива, соединенное с магистралью подачи воздуха и с всасывающим коллектором двигателя, а также впускной и выпускной клапаны [4] Эта система является наиболее близкой к предлагаемой системе и принята в качестве прототипа.

Недостатками известной системы питания являются ее сложность, громоздкость и недостаточная эффективность в работе.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании эффективного способа приготовления топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания и системы питания двигателя, которые обеспечивали бы высокое качество топливовозводимой смеси, стабильность и надежность работы и удобство регулирования параметров смеси.

Техническим результатом, который обеспечивается при осуществлении изобретения, является достижение высокой гомогенности смеси за счет полного испарения топлива, большой скорости испарения топлива, в результате чего происходит одновременное испарение всех его фракций, а также получение возможности быстрого изменения количества испаряемого топлива при изменении режима работы двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе приготовления топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания до состояния перегрева, последующей подачи топлива порциями в испарительное устройство, испарения топлива и перемешивания паров топлива с воздухом каждую порцию топлива испаряют в вакуумной полости и затем подают воздух в последнюю. Для увеличения указанного технического результата одновременно с порцией топлива в испарительное устройство может быть подана порция воды, предварительно подогретой до состояния перегрева.

Указанный технический результат достигается также тем, что система питания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая магистраль подачи воздуха, топливный насос, устройство подогрева топлива и испарительное устройство для топлива, соединенное с магистралью подачи воздуха и всасывающим коллектором двигателя, и клапаны, дополнительно снабжена воздушным насосом, установленным в магистрали подачи воздуха перед испарительным устройством. Кроме того, испарительное устройство выполнено в виде пластинчато-роторного вакуумного насоса, полость всасывания которого связана каналами с устройством подогрева топлива и с воздушным насосом, причем клапаны установлены в каждом из этих каналов, а полость нагнетания вакуумного насоса сообщена с всасывающим коллектором.

Топливный насос может быть выполнен пластинчато-роторным, а его ротор может быть установлен на едином валу с ротором вакуумного насоса.

Воздушный насос может быть выполнен пластинчато-роторным, а его ротор может быть установлен на едином валу с ротором вакуумного насоса.

Топливный и воздушный насосы, выполненные пластинчато-роторными, могут быть установлены на едином валу с ротором вакуумного насоса, что облегчает синхронизацию подачи топлива и воздуха в полость всасывания вакуумного насоса.

Система питания ДВС может быть снабжена также водяным насосом и устройством для подогрева воды под давлением, связанным с полостью всасывания вакуумного насоса дополнительным каналом, в котором установлен дополнительный клапан.

Кроме того, водяной насос также может быть выполнен пластинчато-роторным и его ротор может быть установлен на едином валу с ротором вакуумного насоса.

Проведенные патентные исследования показали, что в настоящее время не известны аналогичные технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения. Следовательно, изобретение соответствует требованиям новизны.

В предлагаемом способе приготовления топливовоздушной смеси испарение топлива в вакууме обеспечивает быстрый, полный и практически одновременный переход всех фракций топлива из жидкого состояния в газообразное. Предварительный перегрев топлива гарантирует надежность протекания этого процесса. Порционный впрыск топлива необходим для того, чтобы в испарительном устройстве успевало образовываться вакуумное пространство и одновременно такая подача топлива дает возможность легко регулировать количество испаряемого топлива. Таким образом достигаются высокая гомогенность смеси и удобство регулирования ее состава и количества.

Дополнительная подача в испарительное устройство перегретой воды одновременно с подачей топлива позволяет получить весьма однородную смесь паров топлива, воды и воздуха. Вода способствует демпфированию смеси, снижению токсичности выхлопных газов и снижает расход топлива.

В предлагаемой системе питания для ДВС выполнение испарительного устройства в виде пластинчато-роторного вакуумного насоса, в полость всасывания которого подают перегретое топливо, дает возможность осуществить полное испарение топлива в вакууме. Связь полости всасывания также и с воздушной магистралью позволяет осуществить перемешивание паров топлива с воздухом, а связь полости нагнетания со всасывающим коллектором двигателя дает возможность с помощью этого же насоса подать предварительно сжатую топливовоздушную смесь в цилиндры двигателя, что улучшает наполнение цилиндров.

Установка клапанов в каналах подачи топлива и воздуха в вакуумный насос обеспечивает возможность регулирования процесса как по времени впрыска, так и по количеству подаваемого топлива и воздуха. Воздушный насос необходим для обеспечения надежной подачи достаточного количества воздуха. Таким образом, система питания для ДВС обеспечивает надежное и стабильное испарение всех фракций топлива, т.е. гарантирует абсолютную гомогенность частиц в виде молекул газа, качественное перемешивание паров топлива с воздухом, т.е. двух газов, и подачу топливовоздушной смеси во всасывающий коллектор.

Выполнение топливного и воздушного насосов пластинчато-роторными с роторами, установленными на одном валу с ротором вакуумного насоса (испарительного устройства), надежно синхронизирует работу этих насосов, упрощает системы управления, уменьшает габариты.

Установка в системе питания для ДВС водяного насоса, устройства для подогрева воды под давлением и водяного клапана дает возможность ввести в топливовоздушную смесь пары воды, тем самым улучшив качество смеси.

Выполнение водяного насоса пластинчато-роторным позволяет легко синхронизировать его работу с вакуумным насосом, упрощает систему управления.

На фиг.1 показана схема предлагаемой системы питания с продольным разрезом испарительного устройства; на фиг.2 схема системы питания с поперечным разрезом испарительного устройства; на фиг.3-9 поперечный разрез испарительного устройства на различных этапах образования топливовоздушной смеси, в т. ч. на фиг.3 вакуумный насос в исходном положении, все клапаны закрыты; на фиг. 4 впрыск топлива в вакуумное пространство во всасывающей полости; на фиг.5 проиллюстрировано испарение топлива; на фиг.6 и 7 начало иллюстрации и окончания подачи воздуха в пары топлива; на фиг.8 проиллюстрировано начало выпуска топливовоздушной смеси из нагнетательной полости во всасывающий коллектор двигателя; на фиг.9 положение ротора вакуумного насоса после окончания одного полного цикла смесеобразования; на фиг.10 вариант выполнения системы питания с пластинчато-роторными насосами топлива, воздуха и воды, установленными на общем валу с вакуумным насосом.

Система питания для ДВС (фиг.1,2) содержит магистраль 1 подачи воздуха с воздушным насосом 2, топливный насос 3, устройство 4 подогрева топлива, испарительное устройство в виде пластинчато-роторного вакуумного насоса 5 и клапаны. Вакуумный насос 5 содержит корпус и эксцентрично размещенный в нем ротор 6 с радиальными пазами, в которых установлены с возможностью перемещения подпружиненные пластины 7, контактирующие с внутренней поверхностью корпуса. Конструкции таких насосов широко известны и в предлагаемой системе питания они могут быть использованы (например, насосы, описанные в авт.св. СССР N 1521915, кл. F 04 C 29/02, 1987 или в авт.св. СССР N 1597448, кл. F 04 C 2/00, 1986. В вакуумном насосе 5 полость 8 всасывания через отверстие 9 в корпусе насоса 5 (фиг.2-9) связана каналом 10 с устройством подогрева топлива 4 и через отверстие 11 каналом 12 с воздушным насосом 2, а полость нагнетания 13 через отверстие 14 в корпусе насоса 5 сообщена со всасывающим коллектором двигателя (не показан). В каналах 10 и 12 установлены управляемые и регулируемые клапаны 15 и 16 соответственно, например электромагнитные клапаны, пружинные или другой известной конструкции, допускающие возможность регулирования момента срабатывания и обеспечивающие подачу заданного количества компонента. В отверстии 9 корпуса насоса 5 установлена форсунка, например жиклер, для впрыска топлива (условно не показана). Устройство 4 может быть выполнено в виде теплообменника, например трубки или змеевика, установленного в выхлопной трубе 17 двигателя и использующего тепло отработавших газов, или в виде автономного устройства, например, с электронагревательными элементами. В любом варианте выполнения устройства 4 благодаря наличию топливного насоса 3 и клапана 15 топливо в нем находится под давлением в пределах 2-4 кг/см². Привод вращения ротора вакуумного насоса 5 осуществляется от шкива коленвала двигателя.

Воздушный насос 2 и клапан 16 также обеспечивают наличие в воздушной магистрали 1 избыточного давления.

В корпусе насоса 5 может быть установлен также предохранительный клапан 18, срабатывающий при заданном давлении и сообщающий полость нагнетания 13 с отводящим патрубком (не показано) и далее со всасывающим коллектором двигателя.

Воздушный 2 и топливный 3 насосы (фиг.10) могут быть выполнены пластинчато-роторными, причем их роторы 19 и 20 могут быть установлены на одном валу с ротором 6 вакуумного насоса 5.

Система питания (фиг.10) может быть снабжена дополнительно водяным насосом 21 и устройством 22 для подогрева воды под давлением, выполненным, например, аналогично устройству 4. В этом случае в корпусе вакуумного насоса 5 выполняется отверстие 23, через которое полость 8 сообщается с дополнительным каналом 24 подачи перегретой воды. В отверстии 23 устанавливается водяная форсунка (не показана). В канале 24 установлен дополнительный клапан 25, аналогичный по устройству и назначению клапанам 15 и 16. Водяной насос может быть выполнен в виде пластинчато-роторного насоса, ротор 26 которого установлен на одном валу с ротором 6 вакуумного насоса 5.

В случае установки всех перечисленных выше насосов на одном валу привод их вращения осуществляется также от шкива коленвала двигателя.

Способ приготовления топливовоздушной смеси для ДВС в предлагаемой системе питания осуществляется следующим образом.

Воздух из воздушной магистрали 1 поступает в воздушный насос 2 и далее под давлением через канал 12 к воздушному клапану 16. Топливо поступает в топливный насос 3, из него под давлением в устройство 4, где нагревается до состояния перегрева, и далее через канал 10 к топливному клапану 15. При вращении ротора 6 вакуумного насоса 5 из исходного положения, показанного на фиг. 3, одна из пластин 7 образует с корпусом насоса 5 вакуумную полость 8 (фиг. 4). В момент, когда объем этой полости достигает заданной величины, срабатывает топливный клапан 15 и порция перегретого топлива из канала 10 через топливную форсунку в отверстии 9 впрыскивается в вакуумную полость 8. Попав в условия низкого вакуума (пластинчато-роторные насосы обеспечивают разрежение до 15 мм рт.ст.), перегретое топливо практически мгновенно переходит в газообразное состояние, так как в жидком виде при данных условиях оно существовать не может.

Ротор 6 продолжает вращение и объем полости всасывания увеличивается (фиг.5). В момент, когда пластина 7 перемещается за край отверстия 11, срабатывает воздушный клапан 16 и в полость 8 начинает поступать воздух, который благодаря перепаду давлений между двумя газами воздухом в канале 12 и парами топлива, интенсивно перемешивается с последними, образуя топливовоздушную смесь. В зависимости от количества подаваемого воздуха воздушный клапан 16 может быть открыт до момента начала выпуска смеси или закрыт раньше. При дальнейшем вращении ротора 6 пластина 7 перемещается к выпускному отверстию 14 и в момент, когда пластина 7 перемещается за край отверстия 14, начинается выпуск топливовоздушной смеси во всасывающий коллектор двигателя. Необходимое давление нагнетания смеси обеспечивается второй пластиной 7, расположенной оппозитно первой пластине 7. Когда вторая пластина 7 в своем вращении вместе с ротором 6 доходит до отверстия 14, выпуск первой порции топливовоздушной смеси заканчивается.

Вторая порция топливовоздушной смеси приготавливается одновременно с первой порцией, но с отставанием по фазам вращения ротора 6 на 180^о, так как каждый раз, когда одна из пластин 7 пересекает выпускное отверстие 9 и образуется вакуумная полость 8, туда впрыскивается очередная порция топлива. Таким образом, при каждом повороте ротора 6 с двумя пластинами 7 и 180^о во всасывающий тракт двигателя выпускается очередная порция топливовоздушной смеси.

Одновременно с подачей топлива в полость всасывания может быть подана также порция перегретой воды, которая, испаряясь совместно с топливом, образует с ним полностью гомогенную смесь паров. Для осуществления этой операции водяной насос 21 подает воду в устройство для подогрева воды 22. Благодаря наличию клапана 25 в устройство подогрева воды 22 и канале 24 поддерживается повышенное давление, вследствие чего вода подогревается до состояния перегрева. Водяной клапан 25 срабатывает одновременно с топливным клапаном 15 и порция перегретой воды через водяную форсунку подается в вакуумную полость 8.

Наиболее рациональным с точки зрения простоты регулирования и управления системой питания является выполнение всех указанных выше насосов 2,3,5 и 21 пластинчато-роторными с роторами, закрепленными на едином общем валу. В этом случае автоматически осуществляется синхронизация их работы и отпадает необходимость в сложных системах автоматики регулирования.

Вакуумный насос 5 снабжен предохранительным клапаном 18, срабатывающим при превышении давления в полости нагнетания заданной величины. Эта величина определяется характеристиками топлива, например температурой вспышки, а также параметрами самой системы питания.

Формула изобретения

1. Способ приготовления топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания путем подогрева топлива под давлением до состояния перегрева, последующей подачи топлива порциями в испарительное устройство, испарения топлива и перемешивания паров топлива с воздухом, отличающийся тем, что каждую порцию топлива испаряют в вакуумной полости и затем подают воздух в последнюю.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с порцией топлива в испарительное устройство подают порцию предварительно подогретой до состояния перегрева воды.

3. Система питания для двигателя внутреннего сгорания, содержащая магистраль подачи воздуха, топливный насос, устройство подогрева топлива и испарительное устройство для топлива, соединенное с магистралью подачи воздуха и с всасывающим коллектором двигателя, и клапаны, отличающаяся тем, что она снабжена воздушным насосом, установленным в магистрали подачи воздуха перед испарительным устройством, последнее выполнено в виде пластинчатороторного вакуумного насоса, полость всасывания которого связана каналами с устройством подогрева топлива и с воздушным насосом, причем клапаны установлены в каждом из этих каналов, а полость нагнетания вакуумного насоса сообщена с всасывающим коллектором.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что топливный насос выполнен пластинчато-роторным, а его ротор установлен на едином валу с ротором вакуумного насоса.

5. Система по п. 3, отличающаяся тем, что воздушный насос выполнен пластинчато-роторным, а его ротор установлен на едином валу с ротором вакуумного насоса.

6. Система по п.3, отличающаяся тем, что топливный и воздушный насосы выполнены пластинчато-роторными, а их роторы установлены на едином валу с ротором вакуумного насоса.

7. Система по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена водяным насосом и устройством для подогрева воды под давлением, связанным с полостью всасывания вакуумного насоса дополнительным каналом, в котором установлен дополнительный клапан.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что водяной насос выполнен пластинчато-роторным, а его ротор установлен на едином валу с ротором вакуумного насоса.