Устройство (варианты) и способ впрыска и подачи топлива для поршневого двигателя
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливным системам двигателей внутреннего сгорания. Технический результат направлен на улучшение экономии топлива поршневых двигателей внутреннего сгорания, на обеспечение полного смешивания топлива с воздушным потоком на впуске, на обеспечение средства легкого модифицирования существующих типов двигателей. Устройство, составляющее часть системы впрыска и подачи топлива для цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания содержит малый циклон, в который тангенциально подается поток нагретого воздуха, чтобы образовать стабильный вихрь с высокими угловыми скоростями; причем диаметр циклона является малым по отношению к диаметру отверстия цилиндра; регулируемую топливную форсунку, подающую поток распыленного топлива в малый циклон, в котором оно подвергается взрывному испарению и быстрому смешиванию; канал подачи, присоединяющий малый циклон к впускному каналу цилиндра, в котором вихревая топливовоздушная смесь смешивается с воздухом на впуске; и средство для предотвращения перегрева регулируемой топливной форсунки. По второму варианту устройство составляет часть системы впрыска и подачи топлива для цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания и содержит: малый циклон, в который тангенциально подается поток нагретого воздуха, чтобы образовать стабильный вихрь с высокими угловыми скоростями; причем диаметр циклона является малым по отношению к диаметру отверстия цилиндра; регулируемую топливную форсунку, подающую поток газообразного топлива в малый циклон, в котором оно подвергается быстрому смешиванию; канал подачи, присоединяющий малый циклон к впускному каналу цилиндра, в котором вихревая топливовоздушная смесь смешивается с воздухом на впуске; и средство для предотвращения перегрева регулируемой топливной форсунки. Способ доставки топливовоздушной смеси к цилиндрам поршневого двигателя внутреннего сгорания включает: тангенциальную подачу потока нагретого воздуха в малый циклон, чтобы образовать в нем стабильный вихрь с высокой угловой скоростью; подачу из регулируемой топливной форсунки потока нагретого, распыленного топлива в малый циклон, в котором оно подвергается взрывному испарению и быстрому смешиванию; и подачу вихревого топливовоздушного потока посредством канала подачи во впускной канал цилиндра, в котором вихревая топливовоздушная смесь смешивается с нагретым воздухом на впуске. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.
Это изобретение относится к способам и устройству для использования в поршневых двигателях внутреннего сгорания для кондиционирования воздушного потока на впуске и для кондиционирования топлива, поданного в воздушный поток на впуске.
При работе бензиновых поршневых двигателей внутреннего сгорания обычно топливо подается в воздушный поток на впуске в виде мелкораспыленных капель жидкости. Капельная подача имеет преимущество в том, что топливо в этом виде замещает минимальное количество воздуха, таким образом делая доступным максимальное количество кислорода для сгорания топлива в цилиндре двигателя. В то время как некоторое испарение капельного топлива действительно происходит во время прохождения смеси через впускной канал и дополнительное испарение, связанное со сжатием топливной смеси в цилиндре, происходит в результате повышения температуры, часть топлива может остаться в жидком капельном виде в начале зажигания. Так как зажигание возникает в парообразной составляющей топливной смеси, следовательно, необходимо обеспечить большее количество топлива в топливной смеси, для того чтобы обеспечивать достаточно насыщенную паровую смесь, чтобы зажигание надежно происходило при всех режимах работы. В обычных карбюраторных двигателях обедненные смеси обеспечиваются для работы на низкой мощности и дополнительное топливо выпускается через средства обеспечения обогащения смеси во время высоких средних тормозных эффективных давлениях.
Было показано, что, как только самораспространяющаяся передняя граница пламени была создана в цилиндре, она будет надежно распространяться через большую часть топливной смеси, имеющую намного более бедную степень насыщения смеси топливом, чем та, которая требуется для возникновения надежного зажигания. Было предложено множество систем для использования этого эффекта путем обеспечения локально обогащенной смеси в области зажигания. Такие способы послойного смесеобразования хорошо известны в данной области техники, но не нашли поддержки из-за дополнительных расходов и сложности, которые они вызывают. В некоторых двигателях надежность воспламенения в бедных смесях была улучшена путем обеспечения более крупных, обладающих большей энергией или многочисленных источников воспламенения в каждом цилиндре.
Также хорошо известно в данной области техники, что в двигателях, в которых цилиндры снабжаются смесью через разветвленный впускной коллектор, трудно обеспечить равномерное распределение. В результате некоторые цилиндры начинают принимать более бедную смесь, чем другие, делая необходимым компенсирующее увеличение общей степени насыщения смеси топливом. За исключением того, где отдельные карбюраторы питают отдельные цилиндры через прямые впускные каналы, этот результат является распространенным в обычных карбюраторных двигателях. Проблема неравномерного распределения смеси не уменьшается устройствами коробки регулятора впрыска топлива, которые поддерживают обычные устройства впускного распределения подачи при помощи системы трубопроводов.
Неравномерности распределения смеси в результате неидентичности впускных каналов часто преодолевались посредством впрыска топлива в капельном виде непосредственно в отверстие впускного канала, откуда оно увлекается в воздушный поток на впуске и переноситься в цилиндр. Пока впрыск во впускные каналы некоторого количества топлива, точно соответствующего мгновенным режимам работы двигателя, действительно уменьшает проблему неравномерного распределения смеси, есть меньшая возможность того, что испарение капельного топлива имеет место на расстоянии короткого хода, и некоторое количество все еще останется в капельной виде в начале воспламенения. Таким образом, отсутствующее послойное смесеобразование или более сложные средства обеспечения воспламенения, более богатая, чем необходимо степень насыщения смеси топливом все еще требуется для того, чтобы обеспечивать присутствие достаточного количества топлива в газообразном виде для достижения надежного воспламенения.
Общеизвестно, что дизельные двигатели обычно работают на коэффициентах избытка воздуха, превышающих 1,5. Это означает, что свыше 150% требуемого воздуха для стехиометрической смеси подается в цилиндр. Такие большие коэффициенты избытка воздуха являются следствием фазированного впрыска капельного топлива, используемого в дизельном двигателе, и являются в значительной степени причиной его превосходной экономии топлива. В отличие от этого бензиновые двигатели обычного расположения редко превышают коэффициенты избытка воздуха 1,1, причем более низкие цифры возникают на более высоких мощностях. Однако было показано, что в тех же двигателях топливная смесь, содержащая сухие газообразные топлива, например пропан, полностью смешанные с воздухом, чтобы обеспечить однородную смесь, будет обеспечивать надежное воспламенение на коэффициентах избытка воздуха 1,3 при относительно высоких средних тормозных эффективных давлениях и есть основания полагать, что работа до коэффициентов избытка воздуха около 1,5 может быть легко достигнута.
Пока отдельное полное испарение бензинового топлива способом, использующим топливо из сжиженного нефтяного газа, является непрактичным из-за сложностей в испарении некоторых неотъемлемых присадок, содержащихся в топливе, таком как бензин, есть основания полагать, что бензин может быть полностью испарен в воздушном потоке на впуске и полностью смешан с наддувочным воздухом, работа на сравнительно высоких средних тормозных эффективных давлениях достижима при коэффициентах избытка воздуха сходных с лучшими, достижимыми с сухими газообразными топливами. Чтобы достигнуть высокой степени испарения капельного топлива перед поступлением смеси в цилиндр, необходим нагрев всего или части наддувного воздуха и, в некоторых случаях, топлива.
Считается, что в двигателях, использующих воздух, температура топливной смеси должна поддерживаться как можно ниже, чтобы обеспечивать наибольшую возможную плотность горючей смеси, таким образом, улучшая объемное КПД (мощность на единицу рабочего объема двигателя). Также считается, что начало детонации замедляется посредством поддерживания низкой температуры горючей смеси. Можно показать, что высокая температура горючей смеси, фактически, может быть обеспечена или допущена с положительным эффектом, так что объемное КПД восстанавливается различными способами и ранняя детонация оказывается не проблемой.
Преимущества нагрева топлива и воздуха на впуске, чтобы достичь значительного испарения топлива во впускном канале бензинового поршневого двигателя внутреннего сгорания, долго признавались, и для этой цели было предложено множество способов. Характерными для таковых являются те, которые, например, описаны в патенте США 4438750, в котором испарительный элемент проходит из выпускного окна к смежному впускному каналу. Элемент поглощения тепла испарительного элемента нагревается отработанными газами и тепло, поглощенное таким образом, передается посредством соединительного элемента испарительного элемента его криволинейной рабочей поверхности, расположенной во впускном канале. Топливо впрыскивается во впускное окно через распылитель форсунки с электромагнитным управлением по касательной к рабочей поверхности, чтобы обеспечить лучшие условия для образования топливной пленки. Поставленной задачей является испарение впрыскиваемого топлива, чтобы выполнить полную гомогенизацию воздушно-топливной смеси, перед тем как она поступит в цилиндр двигателя. Аналогично, в способах согласно патенту США 5140967 и патенту США 3930477, нагревательный стрежень или элемент обеспечен в каждом впускном канале и топливо, подаваемое топливной форсункой в разогретую зону, подвергается укоренному испарению. В другом примере согласно патенту США 4483304, быстрое испарение топливных пленок достигается путем обеспечения электрических испарителей топлива с резистивным нагревом в различных положениях внутри впускных каналов двигателя. В другом примере согласно патенту США 4375799, средства испарения топлива обеспечены в виде испарительной камеры, вмонтированной в одну стенку карбюратора, причем камера нагревается окружающими электрическими нагревательными элементами. Топливо подается в испарительную камеру и испаряется перед тем, как подается в диффузор карбюратора. В другом примере согласно патенту США 3461850, главный канал выпускного коллектора выполнен единым каналами впускного коллектора двигателя, приводя к разогретой зоне в каждом канале. Топливо подается из обычной топливной форсунки в разогретую зону, причем поставленной задачей является улучшение обогащения топлива. В другом примере, согласно патенту США 4583512, карбюратор или система впрыска топлива удалены из двигателя и воздух на впуске и топливо нагреваются рядом электрических резистивных элементов в отдельных теплообменниках. Нагретое топливо и воздух смешиваются и далее нагреваются в общем теплообменнике и впускаются в камеры сгорания двигателя через ряд электрически управляемых клапанов. Одной поставленной задачей, наряду с прочими, является обеспечение лучшего испарения топлива и лучшего топливовоздушного отношения. В другом примере согласно патенту США 4664925 часть топлива подогревается посредством пропускания его через змеевик, расположенный в каждом выпускном окне. Топливо испаряется и быстро нагревается до высокой температуры посредством адиабатического сжатия непосредственно перед впрыском в камеру сгорания. Поставленными задачами являются достижение малой задержки зажигания и по существу мгновенное завершение процесса сгорания. В другом примере согласно патенту США 6712051, часть воздуха на впуске нагревается хладагентом двигателя или теплом выхлопных газов выхлопной системы. Нагретый воздух смешивается с наружным воздухом в управляемой компьютером системе регулирования температуры исходя из выходной мощности, требуемой от двигателя. Система впрыска топлива применяется, чтобы поддерживать точные топливовоздушные отношения в пределах расширенного диапазона температур воздуха для горения.
Из приведенных примеров способ, согласно патенту США 4438750, требует смежных впускных и выпускных каналов, что является неосуществимым во многих двигателях. Кроме того, температура испарительного элемента не регулируется, приводя к возможному перегреву испарительного элемента в некоторых режимах работы. Аналогичные возражения сделаны для способа согласно патенту США 3461850. В способах согласно патентам США 5140967 и 3930477 протекание впускаемого воздуха над нагревательным стержнем или элементом приведет к быстрому охлаждению, требуя большое протекание электрического тока, чтобы иметь существенный эффект. Необходимая генерация электрического тока приведет к неблагоприятному воздействию на эффективность и экономию топлива в двигателе. Аналогичные возражения сделаны для способа согласно патенту США 4483304. Способ согласно патенту США 4375799 требует использование карбюратора и, следовательно, считается непрактичным в свете современной автомобильной практики. Способ согласно патенту США 4582512 требует большое протекание электрического тока, чтобы иметь существенный эффект и необходимая генерация электрического тока приведет к неблагоприятному воздействию на эффективность и экономию топлива в двигателе. В способе согласно патенту США 4664925 трудно увидеть, как будет осуществляться холодный запуск. Кроме того, основное регулирование топливовоздушной смеси и производство гомогенного состава смеси будут представлять сложности. Способ согласно патенту США 6712051 обеспечит минимальные эффекты при нормальной работе.
Первой задачей настоящего изобретения является улучшение экономии топлива поршневых двигателей внутреннего сгорания посредством обеспечения средства регулирования температуры топлива, подаваемого в воздушный поток на впуске. Второй задачей настоящего изобретения является обеспечение полного смешивания топлива с воздушным потоком на впуске, таким образом, подавая, как можно ближе, гомогенную топливовоздушную смесь в каждый цилиндр в двигателе и, позволяя более эффективное сжигание топлива. Третьей задачей настоящего изобретения является обеспечение средства легкого модифицирования существующих типов двигателей, чтобы осуществить вышеизложенные первую и вторую задачи.
Согласно настоящему изобретению в поршневом двигателе внутреннего сгорания жидкое бензиновое топливо нагревается теплом выхлопных газов двигателя в подходящем средстве теплообмена до температуры, стремящейся в его нормальной точке кипения и поддерживается под давлением, чтобы предотвратить выкипание. Подача воздуха нагревается выхлопными газами в подходящем средстве теплообмена до температуры значительно выше точки кипения бензина и большая часть нагретого воздуха смешивается с наружным воздухом, чтобы обеспечить поток нагретого воздуха на впуске. Меньшая часть нагретого воздуха подается тангенциально во множество малых циклонов, каждый их которых связан с одним каналом впускного коллектора двигателя. Каждый циклон образует стабильный вихрь с высокой скоростью, который подается в соответствующий канал впускного коллектора перед сопряженным впускным клапаном. Нагретое топливо подается в топливные форсунки с электронным управлением, обеспеченные в каждом малом циклоне, и подается в распыленном виде в вихри нагретого воздуха, где оно подвергается взрывному испарению. Нагретый воздушный поток на впуске и вихревой топливовоздушный поток объединяются в каналах впускного коллектора перед прохождением к цилиндрам двигателя, фактически как гомогенный сухой газ.
Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создано устройство, составляющее часть системы впрыска и подачи топлива для цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащее: малый циклон, в который тангенциально подается поток нагретого воздуха, чтобы образовать стабильный вихрь с высокими угловыми скоростями, причем диаметр циклона является малым по отношению к диаметру отверстия цилиндра; регулируемую топливную форсунку, подающую поток распыленного топлива в малый циклон, в котором оно подвергается взрывному испарению и быстрому смешиванию; канал подачи, присоединяющий малый циклон к впускному каналу цилиндра, в котором вихревая топливовоздушная смесь смешивается с воздухом на впуске; и средство для предотвращения перегрева регулируемой топливной форсунки.
Предпочтительно, малый циклон содержит цилиндрическую часть; коническую часть, присоединенную к цилиндрической части; верхнюю стенку, закрывающую цилиндрическую часть, причем верхняя стенка поддерживает средство для установки регулируемой топливной форсунки и имеет отверстие, через которое подается поток распыленного топлива; тангенциально расположенное впускное отверстие в цилиндрическую часть, через которое подается поток нагретого воздуха; и выпуск в вершине конической части, присоединенной к каналу подачи.
Предпочтительно, нижний по потоку конец канала подачи присоединен к приливу, образованному на отливке канала впускного коллектора, связанного с цилиндром, и вихревые топливовоздушные смеси выходят в впускной канал через выпуск, проходя через прилив.
Предпочтительно, отношение диаметра цилиндрической части малого циклона к диаметру отверстия его соответствующего цилиндра двигателя обычно находится в интервале от 1:10 до 1:2 с отклонением +/-20%.
Предпочтительно, отношение длины конической части малого циклона к диаметру цилиндрической секции обычно находится в интервале от менее 0,5:1 до более 6:1.
Предпочтительно, цилиндры двигателя снабжены вихревым топливовоздушным потоком из одного или более больших циклонов.
Предпочтительно, пуля обтекаемой формы поддерживается внутри малого циклона и соосно с ним, чтобы предотвратить перетекание наименее плотной составляющей вихревой топливовоздушной смеси в ядро вихря, образованного внутри маленького циклона.
Предпочтительно, средства для предотвращения перегрева регулируемой топливной форсунки имеют форму охлаждающей рубашки, образованной вокруг средства для установки регулируемой топливной форсунки, причем охлаждающая рубашка принимает непрерывную подачу хладагента из системы охлаждения двигателя.
Предпочтительно, топливо нагрето до температуры приблизительно от 85 до 90°С.
Предпочтительно, поток воздуха нагрет в средстве теплообмена теплом выхлопных газов двигателя до температуры вплоть до 1000°С и большая часть потока смешена с наружным воздухом, чтобы обеспечить подачу нагретого воздуха на впуске.
Предпочтительно, поток воздуха нагрет в средстве теплообмена выхлопными газами двигателя до температуры вплоть до 1000°С и меньшая часть потока направляется к малому циклону.
Предпочтительно, вихревая топливовоздушная смесь подана в впускной канал посредством средства ускорения, причем средство ускорения имеет форму кольцевого пространства в впускном канале, в которое подается вихревая топливовоздушная смесь, при этом кольцевое пространство ограничено наружным утолщением отливки канала впускного коллектора и первым цилиндрическим кольцом, установленным в отверстие впускного канала, причем подача вихревой топливовоздушной смеси из кольцевого пространства происходит через кольцевой выпускной канал, ограниченный соответствующими частями первого цилиндрического кольца и второго цилиндрического кольца, установленного в отверстие впускного канала после первого цилиндрического кольца, при этом соответствующие части наклонены в направлении воздушного потока на впуске.
Согласно второму объекту изобретения создано устройство, составляющее часть системы впрыска и подачи топлива для цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащее: малый циклон, в который тангенциально подается поток нагретого воздуха, чтобы образовать стабильный вихрь с высокими угловыми скоростями, причем диаметр циклона является малым по отношению к диаметру отверстия цилиндра; регулируемую топливную форсунку, подающую поток газообразного топлива в малый циклон, в котором оно подвергается быстрому смешиванию; канал подачи, присоединяющий малый циклон к впускному каналу цилиндра, в котором вихревая топливовоздушная смесь смешивается с воздухом на впуске; и средство для предотвращения перегрева регулируемой топливной форсунки.
Согласно третьему объекту изобретения создан способ доставки топливовоздушной смеси к цилиндрам поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающий: тангенциальную подачу потока нагретого воздуха в малый циклон, чтобы образовать в нем стабильный вихрь с высокой угловой скоростью, причем диаметр циклона является малым по отношению к диаметру отверстия цилиндра; подачу из регулируемой топливной форсунки потока нагретого, распыленного топлива в малый циклон, в котором оно подвергается взрывному испарению и быстрому смешиванию; и подачу вихревого топливовоздушного потока посредством канала подачи во впускной канал цилиндра, в котором вихревая топливовоздушная смесь смешивается с нагретым воздухом на впуске.
Предпочтительно, регулируемая топливная форсунка подает поток распыленного топлива в малый циклон, в котором оно подвергается взрывному испарению и быстрому смешиванию, причем любой неиспарившийся компонент топлива центрифугируется на горячие внутренние стенки малого циклона и, таким образом, испаряется, поглощая тепло.
Различные аспекты настоящего изобретения будут более легко поняты исходя из следующего описания предпочтительных вариантов осуществления, приведенных со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - вид в продольном сечении одного канала впускного коллектора, впускного окна и малого циклона двигателя согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 - вид в поперечном сечении малого циклона настоящего изобретения плоскостью, проходящей через ось канала подачи;
Фиг.3 - вид в продольном сечении альтернативного варианта выполнения малого циклона;
Фиг.4 - вид в продольном сечении малого циклона, иллюстрирующий типовую конструкцию и сборку;
Фиг.5 - вид в продольном сечении альтернативного средства подачи вихревого топливовоздушного потока во впускной коллектор; и
Фиг.6 - вид в продольном сечении другого альтернативного средства подачи вихревого топливовоздушного потока во впускной коллектор.
Где бы слово «бензин» или слово «бензиновый» ни появлялись в этом описании изобретения, считается, что слово «бензин» подразумевает любое жидкое топливо, которое может быть обработано способом, описанным здесь. Также следует понимать, что значение слова «бензин» включает в себя топлива, которые могут сжижаться только в температурном диапазоне от 20° до 300°С. Где бы слово «воздух» ни использовалось по всему этому описанию изобретения, следует считать, что оно включает в себя смесь в подходящей пропорции другого газа или газов с кислородом.
Как показано на Фиг.1 и 2, в поршневом двигателе внутреннего сгорания, подача жидкого бензинового топлива сжата до давления впрыска в подходящем насосе (не показан) и нагрета до температуры приблизительно от 85 до 90°С в подходящем средстве теплообмена (не показано), используя тепло выхлопных газов из системы охлаждения двигателя, причем напорное состояние топлива предотвращает его выкипание. В предпочтительном варианте выполнения используются подходящие средства термостатической регулировки температуры (не показаны), чтобы поддерживать нагретое топливо в желаемом температурном интервале во время нормальной работы. Нагретое топливо подается через подходящий топливоподающий коллектор (не показан) и, следовательно, посредством отдельных подающих топливопроводов 1 (положение показано пунктирной линией) к множеству регулируемых топливных форсунок 2 с электронным управлением (положение показано пунктирной линией), каждая из которых установлена и расположена на одной линии своей осью подачи жидкого топлива с продольной осью малого циклона 4, связанного с каждым каналом 11 впускного коллектора двигателя. Малые циклоны содержат главным образом цилиндрическую часть 24 и коническую часть 23. Подходящие обратные топливопроводы (не показаны) обеспечиваются при необходимости, причем любой противоток направляется в готовый для применения резервуар (не показан), из которого насос, создающий избыточное давление топлива, получает подачу нагретого топлива. В случае, если готовый к применению резервуар наполнится, избыток направляется в главный резервуар хранения топлива (не показан). Управляющий сигнал передается на топливные форсунки посредством электрических проводов 3 (положение показано пунктирной линией). Подача воздуха нагревается выхлопными газами в подходящем средстве теплообмена (не показано) до температуры вплоть до 1000°С выше наружного воздуха и большая часть нагретого воздуха смешивается с наружным воздухом, чтобы обеспечить поток нагретого воздуха на впуске при температуре обычно от+20 до+100°С внутри канала впускного коллектора после дроссельной двустворчатой заслонки 16. Где используется другое топливо, температура воздуха в канале впускного коллектора увеличивается, по мере необходимости, чтобы быть выше точки росы топлива. Смешивание нагретого воздуха и наружного воздуха осуществляется в регулируемом смесительном клапане с электронным управлением (не показан), который управляется подходящим микропроцессорным блоком управления (не показан), принимающим сигналы от датчиков (не показаны), измеряющих температуру наружного воздуха, температуру нагретого воздуха и температуру воздуха на впуске. Блок управления также принимает сигнал, показывающий положение клапанных элементов смесительного клапана и регулирует положение клапанных элементов, при необходимости, чтобы поддерживать температуру воздуха на впуске в оптимальном интервале. Очевидно, регулируемая топливная форсунка может быть расположена своей упомянутой осью подачи параллельно, но смещенной латерально от продольной оси малого циклона, причем, в том числе установлена на и подает ее струю топлива в канал подачи непосредственно смежно входу канала подачи в цилиндрическую часть малого циклона.
Меньшая часть нагретого воздуха подается тангенциально посредством каналов 9 подачи в цилиндрические части 24 малых циклонов, где его тепло служит для испарения топлива, поданного топливными форсунками. Поток нагретого воздуха через каждый малый циклон образует стабильный вихрь с высокой скоростью, который вызывает полное смешивание воздуха и топливного пара внутри малых циклонов. Получаемая вихревая топливовоздушная смесь подается в соответствующий канал впускного коллектора (посредством средства доставки или средства ускорения, при необходимости) перед соответствующим впускным окном 12 и впускным клапаном 6. Установочный фланец 15 канала впускного коллектора прикреплен к головке 13 блока цилиндров подходящими креплениями 14 (положение показано пунктирной линией), и воздушный поток на впуске регулируется дроссельной двустворчатой заслонкой 16, вращающейся на валу 17, вращательно поддерживается в подходящих подшипниках 18, обеспеченных в отливке 5 впускного коллектора. В альтернативных вариантах выполнения (не показаны) применяются другие формы дроссельных заслонок, причем такие формы хорошо известны в данной области техники. Подача 10 нагретой струи топлива, происходящая в распыленной форме (общая схема показана пунктирной линией), поступает в вихри нагретого воздуха в малых циклонах, где большая часть подвергается взрывному испарению. Процесс, воздействующий на распыленное топливо в малых циклонах, является очень сложным процессом, содержащим высокие скорости, резкие изменения давления, срезающее усилие, завихрение и смешивание в сочетании с теплоотдачей от воздуха и металлических поверхностей и это не будет описываться подробно. Однако процесс очень эффективен в получении взрывного испарения и любая часть подачи струи топлива, которая не испарилась сразу, центрифугируется на горячие стенки малых циклонов большими центробежными силами, приложенными к ней, образуя тонкую пленку, которая описывает пологую спиральную траекторию, поглощая тепло со стенки циклона и быстро испаряясь. Фактическое количество тепла, необходимое, чтобы осуществить быстрое и полное испарение, изменяется в зависимости от типа топлива и отношения массового расхода воздуха и массового расхода топлива через малые циклоны. В альтернативном варианте выполнения (не показан) внутренняя поверхность конической части малых циклонов выполнена с пилообразной формой продольного сечения и, проходя над краями пилообразной формы, тонкая топливная пленка более эффективно увлекается в вихревой поток. В предпочтительном варианте выполнения малые циклоны снабжаются подходящей изоляцией на их наружных поверхностях, чтобы уменьшить потерю тепла. Термин «малые циклоны» имеет целью показать только то, что диаметр цилиндрической части циклонов мал по отношению к диаметру отверстия цилиндра, с которым малые циклоны связаны. Обычно отношение двух диаметров находится в диапазоне от 1:10 до 1:2±20% от установленного отношения. Также обычно отношение длины конической части 23 к диаметру цилиндрической части 24 изменяется от менее 0,5:1 до более 6:1.
Вихревой топливовоздушный поток проходит к каналу впускного коллектора посредством канала 7 подачи, присоединенного к меньшему концу конической части малых циклонов и выходит через выпуск 19, чтобы объединиться и смешаться с воздушным потоком на впуске перед прохождением к цилиндрам двигателя, фактически как гомогенный сухой газ. Высокая энергия топливовоздушного потока, подаваемого через выпуск, действует, чтобы способствовать быстрому смешиванию с потоком воздуха на впуске в канале впускного коллектора. Канал 7 подачи выполнен подходящей длины и прикреплен к приливу 8 отливки 5 впускного коллектора. Малые циклоны, возможно, расположены в любом подходящем положении, причем каналы подачи имеют соответствующую форму. Топливные форсунки 2 размещены в обычном порядке в опорных кольцах 22, обеспеченных на цилиндрических концах малых циклонов, причем опорные кольца расположены на одной прямой с продольными осями циклонов. Чтобы предотвратить перегрев топливных форсунок, в предпочтительном варианте выполнения, вокруг опорных колец обеспечены охлаждающие рубашки 20, причем хладагент из системы охлаждения двигателя подается через каналы 21 подачи и возвращается через каналы возврата (заслонены). В альтернативном варианте выполнения (не показан), охлаждающие рубашки удалены, а установочные кольца изготовлены подходяще больше по диаметру, и слой подходящего теплоизоляционного материала обеспечен между установочными кольцами и топливными форсунками. В предпочтительной форме варианта выполнения упомянутым теплоизоляционным материалом является ЧСЦ (частично стабилизированный цирконий) керамика. Очевидно, скорость отвода тепла от охлаждающих рубашек может быть увеличена просто путем увеличения площади их поверхности посредством обеспечения оребрения или подобного.
В альтернативном варианте выполнения (не показан) простое средство подачи в виде короткого продолжения выпуска 19, выступающего на подходящее расстояние в канал 11 впускного коллектора, применяется для лучшего распределения вихревого топливовоздушного потока в воздушный поток на впуске. Как показано на Фиг.5, в другом альтернативном варианте выполнения, вихревой топливовоздушный поток подается в канал 11 впускного коллектора посредством более сложных средств подачи. В этом варианте выполнения продолжение 31 выпуска 19 поворачивается на подходящий угол, чтобы привести его в положение, параллельное оси канала 11 впускного коллектора и вытянутый вдоль линии обтекатель 32 обеспечен вокруг параллельной части, чтобы улучшить эффективность истечения. Вихревой топливовоздушный поток выходит через выпуск 33 на нижнем по потоку конце обтекателя. В предпочтительном варианте выполнения продолжение 31 выполнено с обтекаемой формой сечения, чтобы дополнительно улучшить эффективность истечения. Ссылаясь на Фиг.6, в дополнительном альтернативном варианте выполнения, вихревой топливовоздушный поток подается в канал 11 впускного коллектора посредством средства ускорения. В этом варианте выполнения увеличенное отверстие 34 прилива 8 отливки 5 впускного коллектора герметично принимает в себя нижний по потоку конец канала 7 подачи. Канал подачи подает в выпуск 19, который выходит в кольцевое пространство 35, образованное внутри круговой зоны диаметрального расширения 36 отливки 5 впускного коллектора. Цилиндрическое кольцо 38 размещено по посадке с натягом внутри кольцевой выточки 37, образованной во внутренней поверхности отливки впускного коллектора, причем нижний по потоку конец 39 кольца изогнут внутрь, чтобы создать кольцевой выпускной канал 40 между нижним по потоку концом кольца и наклонной внутренней нижней по потоку поверхностью 41 круговой зоны расширения 36. В альтернативном варианте выполнения наклонный уступ 45 обеспечен непосредственно после кольцевым выпускным каналом 40 и цилиндрическое кольцо 46 размещено напротив наклонного уступа по посадке с натягом в отверстии отливки 5 впускного коллектора. Верхний по потоку конец кольца 44 изогнут на тупой угол, чтобы привести его в более или менее параллельное положение с нижним по потоку концом 39 кольца 38. В предпочтительном варианте выполнения выпуск 19 выходит тангенциально в кольцевое пространство 35. В альтернативном варианте выполнения выпуск 19 выходит радиально в кольцевое пространство. Очевидно, ширина кольцевого выпускного канала 40 может регулироваться путем изменения длины цилиндрического кольца 38, путем его аксиального смещения или путем изменения углов любого конца цилиндрического кольца 39, верхнего по потоку конца цилиндрического кольца 44 и поверхности 41. В предпочтительном варианте выполнения внутренний диаметр канала 11 впускного коллектора после кольцевого выпускного канала 40 выполнен большим, чем диаметр верхнего по потоку конца. В других вариантах выполнения диаметры более или менее равны. В предпочтительном варианте выполнения, чтобы способствовать смешиванию вихревого топливовоздушного потока с воздушным потоком на впуске, обеспечено множеством близко расположенных круговых отверстий 42, 43 в нижнем по потоку конце 39 цилиндрического кольца 38 и верхнем по потоку конце 44 цилиндрического кольца 46. В других альтернативных вариантах выполнения для той же цели свободные края нижнего по потоку конца 39 цилиндрического кольца 38 и верхнего по потоку конца 44 цилиндрического кольца 46 выполнены корончатыми, с внутренними пальцами, синусоидальными или пилообразными. В дополнительном альтернативном варианте выполнения для той же цели нижний по потоку конец 39 цилиндрического кольца 38 и верхний по потоку конец 44 цилиндрического кольца 46 выполнены со спирально расположенным рифлением или ореберением, чтобы способствовать вращению воздушного потока после средства ускорения.
В предпочтительном варианте выполнения средство теплообмена, в котором воздух нагревается, имеет форму муфты (не показана), образующей вокруг части выпускного коллектора или выхлопной трубы двигателя. Муфта герметично охватывает часть выпускного коллектора или выпускной трубы и снабжается потоком наружного воздуха посредством средства очистки воздуха обычного вида. В альтернативном варианте выполнения (не показан), средство теплообмена имеет форму отдельного теплообменника, который принимает поток выхлопного газа, отведенного от выхлопной системы, и поток наружного воздуха посредством средства очистки воздуха обычного вида. В альтернативном варианте выполнения (не показан), малые циклоны снабжаются потоком выхлопного газа, отведенного от выхлопной системы. В другом альтернативном варианте выполнения (не показан), малые циклоны принимают поток горячего воздуха, отведенного от турбонагнетателя двигателя. Во всех случаях нагретый воздушный поток сначала проходит к теплоизолированному распределительному коллектору и, следовательно, посредством отдельных каналов 9 подачи к малым циклонам. Подходящие клапанные средства (не показаны), обеспеченные в распределительном коллекторе, приводятся в движения синхронно с перемещением заслонки, чтобы увеличить поток нагретого воздуха к малым циклонам, когда мощность увеличивается, и уменьшить поток нагретого воздуха, когда мощность уменьшается.
В альтернативном варианте выполнения (не показан) отдельные малые циклоны удалены и применяются одни или более больших циклонов, чтобы доставить топливовоздушный поток в отдельные каналы впускного коллектора.
Как показано на Фиг.3, в другом альтернативном варианте выполнения, чтобы предотвратить перетекание наименее плотной составляющей потока (воздуха, не смешанного с топливом, и увлеченных капель топлива) в ядро вихря циклона, пуля обтекаемой формы поддерживается соосно внутри сужающейся части 23 циклона одной или более прочными, узкими растяжками 26, прикрепленными к внутренней поверхности верхней стенки 27 циклона. Упомянутые растяжки оказывают минимальное воздействие на формирование вихревого потока.
Во время запуска холодного двигателя поток жидкого топлива, сталкиваясь с внутренними стенками малых циклонов, действует, чтобы удалить любой накопившийся материал с поверхностей.
Дополнительно, как показано на Фиг.4, при производстве малых циклонов, в предпочтительном варианте осуществления, цилиндрическая часть 24, выступ для присоединения канала 9 подачи, коническая часть 23 и выступ для присоединения канала 7 подачи выполнены за одно целое (сборка изображена позицией 28); опорное кольцо 22 топливной форсунки, верхняя стенка циклона 27, нижняя стенка охлаждающей рубашки, цилиндрическая часть охлаждающей рубашки и выступы для присоединения канала 21 подачи хладагента и канал возврата хладагента выполнены за одно целое (сборка изображена позицией 29); и верхняя стенка охладительной рубашки выполнена за одно целое (изображена позицией 30). В предпочтительном варианте выполнения упомянутые компоненты герметично соединены пайкой в печи, пайкой серебряным припоем или другим подходящим методом сварки.
В альтернативном варианте выполнения (не показан) малые циклоны применяются описанным способом, чтобы смешивать газообразное топливо с воздушным потоком на впуске и кондиционировать полученную смесь. Газообразным топливом может быть пропан, бутан, метан, водород или подобные и может быть подано в малые циклоны в газообразном или жидком виде.
В другом альтернативном варианте выполнения (не показан), множество малых циклонов подают свои вихревые топливовоздушные потоки тангенциально в один или более крупных циклонов, в которых топливовоздушный поток кондиционируется перед истечением к цилиндрам двигателя.
В другом варианте выполнения (не показан) ось топливной форсунки смещена с расположения на одной прямой с осью соответствующего малого циклона, причем обе упомянутые оси остаются расположенными параллельно.
В другом варианте выполнения (не показан) ось топливной форсунки смещена радиально и в угловом направлении от оси соответствующего малого циклона.
Дополнительно, как показано на Фиг.1, в другом альтернативном варианте выполнения (не показан), в зоне канала 9 подачи подходящего и поступающего в цилиндрическую часть 24 малого циклона правильная форма сечения канала плавно изменена на вытянутую форму сечения, большая ось которого расположено соосно, по периферии или в любом промежуточном расположении относительно оси цилиндрической части.
Согласно на Фиг.1, канал 7 подачи может быть прикреплен к подходящему приливу, образованному на головке 13 блока цилиндров и подавать непосредственно во впускное окно 12. Кроме того, канал 7 подачи может быть удален и выпуск с малого циклона присоединен непосредственно к приливу 8.
При эксплуатации микропроцессорный регулятор подачи топлива (не показан) объединяет данные с датчиков о рабочих параметрах двигателя, включая в себя частоту вращения, тренд частоты вращения, положение дросселя, давление воздуха коллектора и температуру головки блока цилиндров, наряду с данными отображения опережения зажигания, положением клапанных средств, регулирующих поток нагретого воздуха к малым циклонам, температурой воздуха на впуске и температурой нагретого топлива и регулирует соответствующим образом объем подаваемого топлива из топливных форсунок.
Чтобы уменьшить потери тепла, любая открытая металлическая поверхность настоящего изобретения, возможно, покрывается с наружной и внутренней поверхностей, при необходимости, подходящим теплоизоляционным материалом. Такие поверхности включают в себя, но не ограничиваясь этим, каналы, проводящие нагретые топливо или газ, малые циклоны, отливку впускного коллектора и внутреннюю поверхность кольцевого пространства (изображена позицией 35 на Фиг.6).
Значения температур, размеры, соотношения и подобные, приведенные здесь, являются иллюстративными и не должны считаться ограничивающими объем настоящего изобретения.
Эффектами настоящего изобретения являются достижение надежного воспламенения в течение всех фаз работы двигателя путем использования более бедных, чем нормальные, смесей, отсутствие снижения выходной мощности, улучшенная экономия топлива и сокращение загрязнителей в потоке выхлопных газов.
1. Устройство, составляющее часть системы впрыска и подачи топлива для цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащее:
малый циклон, в который тангенциально подается поток нагретого воздуха, чтобы образовать стабильный вихрь с высокими угловыми скоростями; причем диаметр циклона является малым по отношению к диаметру отверстия цилиндра;
регулируемую топливную форсунку, подающую поток распыленного топлива в малый циклон, в котором оно подвергается взрывному испарению и быстрому смешиванию;
канал подачи, присоединяющий малый циклон к впускному каналу цилиндра, в котором вихревая топливовоздушная смесь смешивается с воздухом на впуске; и
средство для предотвращения перегрева регулируемой топливной форсунки.
2. Устройство по п.1, в котором малый циклон содержит цилиндрическую часть; коническую часть, присоединенную к цилиндрической части; верхнюю стенку, закрывающую цилиндрическую часть, причем верхняя стенка поддерживает средство для установки регулируемой топливной форсунки и имеет отверстие, через которое подается поток распыленного топлива; тангенциально расположенное впускное отверстие в цилиндрическую часть, через которое подается поток нагретого воздуха; и выпуск в вершине конической части, присоединенной к каналу подачи.
3. Устройство по п.2, в котором нижний по потоку конец канала подачи присоединен к приливу, образованному на отливке канала впускного коллектора, связанного с цилиндром, и вихревые топливовоздушные смеси выходят во впускной канал через выпуск, проходя через прилив.
4. Устройство по п.2, в котором отношение диаметра цилиндрической части малого циклона к диаметру отверстия его соответствующего цилиндра двигателя обычно находится в интервале от 1:10 до 1:2 с отклонением +/-20%.
5. Устройство по п.2, в котором отношение длины конической части малого циклона к диаметру цилиндрической секции обычно находится в интервале от менее 0,5:1 до более 6:1.
6. Устройство по п.2, в котором цилиндры двигателя снабжены вихревым топливовоздушным потоком из одного или более больших циклонов.
7. Устройство по п.2, в котором пуля обтекаемой формы поддерживается внутри малого циклона и соосно с ним, чтобы предотвратить перетекание наименее плотной составляющей вихревой топливовоздушной смеси в ядро вихря, образованного внутри маленького циклона.
8. Устройство по п.1, в котором средства для предотвращения перегрева регулируемой топливной форсунки имеют форму охлаждающей рубашки, образованной вокруг средства для установки регулируемой топливной форсунки, причем охлаждающая рубашка принимает непрерывную подачу хладагента из системы охлаждения двигателя.
9. Устройство по п.1, в котором топливо нагрето до температуры приблизительно от 85 до 90°С.
10. Устройство по п.1, в котором поток воздуха нагрет в средстве теплообмена теплом выхлопных газов двигателя до температуры вплоть до 1000°С и большая часть потока смешена с наружным воздухом, чтобы обеспечить подачу нагретого воздуха на впуске.
11. Устройство по п.1, в котором поток воздуха нагрет в средстве теплообмена выхлопными газами двигателя до температуры вплоть до 1000°С и меньшая часть потока направляется к малому циклону.
12. Устройство по п.1, в котором вихревая топливовоздушная смесь подана во впускной канал посредством средства ускорения, причем средство ускорения имеет форму кольцевого пространства во впускном канале, в которое подается вихревая топливовоздушная смесь, при этом кольцевое пространство ограничено наружным утолщением отливки канала впускного коллектора и первым цилиндрическим кольцом, установленным в отверстие впускного канала, причем подача вихревой топливовоздушной смеси из кольцевого пространства происходит через кольцевой выпускной канал, ограниченный соответствующими частями первого цилиндрического кольца и второго цилиндрического кольца, установленного в отверстие впускного канала после первого цилиндрического кольца, при этом соответствующие части наклонены в направлении воздушного потока на впуске.
13. Устройство, составляющее часть системы впрыска и подачи топлива для цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащее:
малый циклон, в который тангенциально подается поток нагретого воздуха, чтобы образовать стабильный вихрь с высокими угловыми скоростями; причем диаметр циклона является малым по отношению к диаметру отверстия цилиндра;
регулируемую топливную форсунку, подающую поток газообразного топлива в малый циклон, в котором оно подвергается быстрому смешиванию;
канал подачи, присоединяющий малый циклон к впускному каналу цилиндра, в котором вихревая топливовоздушная смесь смешивается с воздухом на впуске; и
средство для предотвращения перегрева регулируемой топливной форсунки.
14. Способ доставки топливовоздушной смеси к цилиндрам поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающий:
тангенциальную подачу потока нагретого воздуха в малый циклон, чтобы образовать в нем стабильный вихрь с высокой угловой скоростью; причем диаметр циклона является малым по отношению к диаметру отверстия цилиндра;
подачу из регулируемой топливной форсунки потока нагретого, распыленного топлива в малый циклон, в котором оно подвергается взрывному испарению и быстрому смешиванию; и подачу вихревого топливовоздушного потока посредством канала подачи во впускной канал цилиндра, в котором вихревая топливовоздушная смесь смешивается с нагретым воздухом на впуске.
15. Способ по п.14, при котором регулируемая топливная форсунка подает поток распыленного топлива в малый циклон, в котором оно подвергается взрывному испарению и быстрому смешиванию, причем любой не испарившийся компонент топлива центрифугируется на горячие внутренние стенки малого циклона и таким образом испаряется, поглощая тепло.
