Способ подготовки топлива перед впуском его в двигатель и двигатель внутреннего сгорания

 

Группа изобретений относится к двигателестроению и предназначена для обработки жидкого топлива перед его подачей в рабочие цилиндры на сжигание. Способ подготовки топлива заключается в его подаче в аэратор и направлении топлива с газом по линии высокого давления на распыление в воздухе для приготовления топливовоздушной смеси и сжигания и отличается тем, что производят распыление топлива в аэраторе в условиях, исключающих самовоспламенение, причем осуществляют вторичное распыление топлива для приготовления топливовоздушной смеси при давлении воздуха, меньшем, чем давление газа в аэраторе. Двигатель внутреннего сгорания содержит источник сжатого газа и регулятор давления для подачи газа в аэратор и отличается тем, что он снабжен форсункой первичного распыления топлива на вводе его в аэратор, нагнетателем для подачи топлива на форсунку первичного распыления, системой управления работой нагнетателя и предохранительным клапаном, задающим давление в газовой полости аэратора. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению для автомобилей или других средств и, в частности, к способам обработки топлива перед подачей его в рабочие цилиндры или камеры двигателя на сжигание.

Известны способы подготовки топливовоздушной смеси и устройства для их осуществления, способствующие более полному сжиганию топлива за счет улучшения гомогенизации топливовоздушной смеси, подаваемой на сжигание в двигатель, в которых топливо или воздух подогревают выхлопными газами или испаряют с использованием специальных устройств, например пластинчатых камер испарения, многосопловых насадок [1] и [2]; а также способы и устройства для обработки топлива ультрафиолетовыми лучами [3] или магнитным полем [4]. Общим недостатком вышеуказанных способов является их низкая эффективность или сложность конструкции в реализации для автомобиля. Используются также способы улучшения сгорания топлива путем активации воздуха кислородом, добавляемым в топливовоздушный поток [5] или кислородом, выделяемым из воздуха при коронном разряде, создаваемом во впускном трубопроводе с помощью высоковольтного электрического источника [6].

Известны также способы обработки топливовоздушной смеси путем сообщения топливу заряда положительной полярности, а воздуху перед смешиванием с топливом заряда отрицательной полярности [7]. Такая обработка топлива улучшает распыление частиц топлива в воздушном потоке за счет отталкивания одноименно заряженных капель топлива, а обработка противоположным зарядом воздуха улучшает смешение микрокапель топлива с воздухом за счет притягивания разноименных зарядов. Недостатком указанных решений с использованием электрического поля высокого потенциала или электрических средств с высоким напряжением является их высокая опасность в эксплуатации и повышенные требования по обслуживанию применяемых систем, т.к. их характеризует повышенная пожароопасность.

С точки зрения пожаробезопасности автомобиля, наряду с повышением его экономичности, аналогом изобретения является техническое решение, основанное на смешивании топлива с воздухом, содержащим пары и микрокапли топлива, образующиеся при барботировании воздуха, отводимого от компрессора через частично заполненный топливный бак, и последующей подаче воздуха из бака на смешивание с топливом [8]. Данное решение позволяет улучшить воспламенение топливовоздушной смеси за счет улучшения распределения паров и микрокапель топлива во всем объеме смеси. Вместе с тем, основная доля порции топлива, распыляемая традиционными средствами, имеет малую удельную поверхность контакта с воздухом, вследствие чего сгорает не полностью.

Прототипом изобретения является а.с. СССР N 1416732, кл. F 02 M 25/00, 1988, согласно которому топливо предварительно насыщают воздухом в смесительной камере, причем для подачи топлива в смесительную камеру применяют насос низкого давления. Данное решение применимо только для дизельного двигателя и не позволяет эффективно управлять процессом подачи топлива в цилиндры, особенно на переходных режимах работы двигателя, из-за наличия в топливе газовых пузырьков. Впрыск аэрированного топлива в цилиндры осуществляется при давлении не ниже 20 атм, что препятствует протеканию процесса деаэрации, так как процесс предварительного смешивания осуществляется при менее высоком давлении.

Задачей изобретений является обеспечение более полного сгорания топлива и, как следствие, повышение экономичности двигателя и уменьшение токсичности его выхлопных газов.

Поставленная задача решается путем того, что в способе подготовки топлива перед впуском в двигатель путем его подачи в аэратор и направления топлива с газом по линии высокого давления на распыление в воздухе для приготовления топливовоздушной смеси и сжигания производят распыление топлива в аэраторе в условиях, исключающих самовоспламенение, причем осуществляют вторичное распыление топлива для приготовления топливовоздушной смеси при давлении воздуха меньше, чем давление газа в аэраторе.

В двигателе принудительным зажиганием жидкое топливо с растворенным в нем газом подают во впускной коллектор и распыляют в потоке воздуха, подаваемого в камеру сгорания.

В дизеле дизельное топливо с растворенным в нем газом подают непосредственно в рабочий цилиндр и распыляют в воздухе, находящемся в рабочем цилиндре в момент нахождения поршня вблизи верхней мертвой точки.

Распыление топлива в аэраторе проводят при давлении газа, в 1,5...50 раз превышающем давление воздуха во впускном трубопроводе или в рабочем цилиндре в момент начала подачи в него топлива.

Поставленная задача решается также путем того, что двигатель внутреннего сгорания, имеющий по крайней мере один цилиндр или одну камеру сгорания топливовоздушной смеси, по крайней мере одну форсунку, распыляющую топливо в воздухе для сжигания, источник сжатого газа и регулятор давления для подачи газа в аэратор, снабжен по крайней мере одной форсункой первичного распыления топлива на вводе его в аэратор, нагнетателем для подачи топлива на форсунку первичного распыления, системой управления работой нагнетателя и предохранительным клапаном, задающим давление в газовой полости аэратора.

Давление газа в аэраторе, куда подается топливо на первичное распыление, поддерживают в 1,2...50 раз превышающим давление воздуха во впускном коллекторе двигателя с искровым зажиганием в такте впуска топливовоздушной смеси; для дизеля давление газа в аэраторе поддерживают в 1,2...50 раз более высоким, чем давление воздуха в рабочем цилиндре в фазе впрыска топлива.

Предварительное распыление топлива в газовой среде, находящейся в аэраторе при избыточном давлении, приводит в тому, что в жидкой среде-топливе растворяется повышенное количество газа, при этом отсутствует свободный газ во всем объеме топлива; в таком виде топливо с высоким содержанием растворенного в нем газа подводят в двигатель на вторичное распыление. Вторичное распыление топлива при подаче его на сжигание в двигатель, в котором давление воздуха ниже давления в аэраторе, приводит к выделению сверхравновесного для данных условий газа из раствора в каждом элементарном объеме топлива, любого размера капли топлива распыляются, дополнительно диспергируя топливо в воздухе за счет выделения избыточного газа, запасенного в аэраторе в виде раствора газа.

Пример конкретного осуществления предлагаемого способа обработки топлива перед впуском его в двигатель, в частности, с искровым зажиганием, а также двигатель с дополнительными устройствами для реализации этого способа показаны на чертеже.

Основными устройствами, дополняющими типовой двигатель, являются аэратор (10) с расположенными на вводе в него бензина форсунками (9) первичного распыления. Бензин подают в аэратор топливным насосом (2), имеющим напор 1,2 МПа, при расходе бензина, превышающем на 50% расход при максимальной мощности двигателя. В аэратор также подают воздух или любой другой газ под давлением 0,7^+0,05 МПа от источника, например от компрессора или баллона; давление газа в аэраторе поддерживают с помощью регулятора давления (1) и предохранительного клапана (3). Контроль уровня топлива в аэраторе осуществляют с помощью датчика уровня (11); при достижении максимального заданного уровня топливный насос отключают, при расходе топлива и снижении объема до нижнего заданного уровня топливный насос включают и вновь начинают распыление топлива и его аэрацию. Для сжигания в двигателе топливо из аэратора подводится по линии высокого давления к форсункам вторичного распыления (5), расположенным во впускном коллекторе (4). В фазе впуска топливовоздушной смеси открывается впускной клапан (6) и подается сигнал на включение форсунки (5), аэрированное топливо впрыскивается в воздушный поток и в распыленном виде вместе в воздухом заполняет объем цилиндра; за счет деаэрации микрокапель топлива, полученных на выходе из форсунки, происходит измельчение частиц топлива, глубокое перемешивание с воздухом, гомогенизация топливовоздушной смеси.

Для сравнительных испытаний был выбран серийный автомобиль ВАЗ 21093-010 с бензиновым двигателем мод. 2111, снабженным системой распределенного впрыска топлива. Автомобиль дополнялся предлагаемой системой обработки топлива, параметры работы системы аэрации топлива указаны выше.

Ходовые испытания автомобиля в ресурсе 12'500 км с полезной нагрузкой 180-300 кг показали повышение экономичности при сжигании топлива около 8,3% по сравнению с базовым вариантом - без системы обработки топлива.

Испытания автомобиля по ездовому циклу - в холодном режиме и при скоростной добавке, проведенные на стенде диагностики AP500/GS112/K4000, показали повышение экономичности двигателя в холодном цикле на 3,6% при снижении содержания окислов углерода на 5,6%, а испытания при скоростной добавке эти показатели улучшили соответственно на 4,8 и 6,5%.

Использованные источники 1. Патент РФ 2.076.232 МПК 6 F 02 M 23/12. Способ подготовки топливовоздушной смеси и устройство для его осуществления.

2. Акцептованная заявка Японии 5-39754 МПК 5 F 02 M 25/08. Испарительная система.

3. Авторское свидетельство СССР 1.606.727 МПК 5 F 02 M 27/06. Устройство для обработки потока воздуха ультрафиолетовым излучением перед карбюратором.

4. Патент США 5.127.385 МПК 5 F 02 M 38/00. Магнитное устройство для обработки топлива.

5. Патент США 5.117.800 МПК 5 F 02 B 13/00. Способ обогащения топливно-воздушной смеси кислородом.

6. Акцептованная заявка Японии 5-44584 МПК 5 F 02 M 27/04. Способ и устройство улучшения сгорания.

7. Авторское свидетельство СССР 855.586 М. Кл. F 02 M 27/04. Способ обработки топливовоздушной смеси.

8. Патент РФ 2.053.403 МПК 6 F 02 M 23/00, 25/00. Устройство подготовки топлива для двигателя автомобиля.

Формула изобретения

1. Способ подготовки топлива перед впуском в двигатель путем его подачи в аэратор и направления топлива с газом по линии высокого давления на распыление в воздухе для приготовления топливовоздушной смеси и сжигания, отличающийся тем, что производят распыление топлива в аэраторе в условиях, исключающих самовоспламенение, причем осуществляют вторичное распыление топлива для приготовления топливовоздушной смеси при давлении воздуха, меньшем, чем давление газа в аэраторе.

2. Способ по п.1 для двигателя с принудительным зажиганием, отличающийся тем, что жидкое топливо с растворенным в нем газом подают во впускной коллектор и распыляют в потоке воздуха, подаваемого в камеру сгорания.

3. Способ по п.1 для дизеля, отличающийся тем, что дизельное топливо с растворенным в нем газом подают непосредственно в рабочий цилиндр и распыляют в воздухе, находящемся в рабочем цилиндре в момент нахождения поршня вблизи верхней мертвой точки.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что распыление топлива в аэраторе проводят при давлении газа, в 1, 2...50 раз превышающем давление воздуха во впускном коллекторе или в рабочем цилиндре в момент начала подачи в него топлива.

5. Двигатель внутреннего сгорания, имеющий по крайней мере один цилиндр или одну камеру сгорания топливовоздушной смеси, по крайней мере одну форсунку, распыляющую топливо в воздухе для сжигания, источник сжатого газа и регулятор давления для подачи газа в аэратор, отличающийся тем, что он снабжен по крайней мере одной форсункой первичного распыления топлива на вводе его в аэратор, нагнетателем для подачи топлива на форсунку первичного распыления, системой управления работой нагнетателя и предохранительным клапаном, задающим давление в газовой полости аэратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 29-2003

Извещение опубликовано: 20.10.2003        

---