Антидетонационная система подачи топлива - RU2330985C2
Код документа: RU2330985C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системам подачи топлива в двигатели внутреннего сгорания и, в частности, к такой системе, в которой распыляющее устройство сообщается с внутренней частью впускного коллектора или корпусом дросселя и подает распыленное топливо так, чтобы размер капли топлива был в предопределенных пределах, что позволяет двигателю работать с более высокой степенью сжатия и/или более низким октановым числом.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известно много способов создания топливно-воздушных смесей для возвратно-поступательного движения поршневой группы двигателей внутреннего сгорания, и многие из них запатентованы. Насколько известно заявителю, ранее раскрытые способы представляют собой попытку создать пары топлива, полностью смешанные с воздухом. Во многих из этих способов топливо нагрето, в некоторых примерах достигается точка кипения топлива, чтобы преобразовать топливо в газ до его подачи в камеру сгорания. Фактически это попытка свести к минимуму размер капли топлива, основанная на предположении, что капли топлива в топливовоздушной смеси приводят к неэффективному сгоранию и вырабатывают большее количество загрязняющих веществ в выхлопных газах.
Однако создание стехиометрической топливовоздушной смеси, в которой топливо находится в виде пара, превращает ее во взрывчатую смесь. Это становится проблемой при вспрыскивании топлива в двигатель, увеличивая давление газа в камере сгорания то такой степени, что температура топливовоздушной смеси повышается до температуры ее воспламенения. Это, в свою очередь, приводит к взрыву всего объема топливовоздушной смеси (а не к равномерному горению в направлении от запальной свечи) или к состоянию, известному как "детонация" из-за создаваемого стука подшипников под воздействием взрывной волны. Такой режим вреден для подшипников и других частей двигателя и резко сокращает срок службы двигателя.
Целью настоящего изобретения является обеспечение работы четырехтактных и двухтактных двигателей внутреннего сгорания, роторно-поршневых двигателей и других подобных двигателей, в которых стехиометрическая топливовоздушная смесь сжимается непосредственно перед воспламенением и не создает детонации, снижая, таким образом, требования к октановому числу двигателей для данной степени сжатия. Это достигается благодаря тому, что капли топлива «сгорают» с более низкой скоростью, чем «взрывающаяся» топливовоздушная смесь, уменьшая, таким образом, тенденцию двигателя к детонации. В этом случае предполагается, что капля топлива в пределах вышеупомянутого диапазона горит слоями, так что внешний слой капли топлива выгорает и кислород вокруг капли временно расходуется. Затем кислород окружает каплю, по мере того как продукты горения вокруг капли расширяются и рассеиваются, обеспечивая горение следующего слоя, который, в свою очередь, полностью сгорает. Этот процесс повторяется до тех пор, пока капля топлива не будет сожжена полностью.
Дизельные двигатели или другие двигатели прямого впрыскивания также работают более эффективно на топливе с таким размером частиц, хотя в таких двигателях в основном проблемы детонации не возникает.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ создания топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания, содержащий следующие стадии: впрыскивание жидкого топлива в воздух на впуске, разбивание указанного жидкого топлива на капли предопределенного размера; смешивание указанных капель топлива преопределенного размера с указанным потоком воздуха на впуске; втягивание указанного потока воздуха на впуске, содержащего указанные капли топлива преопределенного размера, в камеру сгорания для сжигания, отличающийся тем, что содержит стадию прохождения транспортирующего газа, отличного от потока воздуха на впуске, содержащего указанное жидкое топливо, через ограниченную трубку, с множеством пластин, в которой создается турбулентность, разбивание указанного жидкого топлива осуществляют с помощью указанной турбулентности, при этом регулируют количество топлива, вводимого в воздух на впуске.
Предусматривается, что указанное жидкое топливо разбивают на капли 50 микрон в диаметре и менее.
Предусматривается также, что способ дополнительно содержит стадию использования топливного газа в качестве указанного транспортирующего газа, при этом указанный топливный газ повышает октановое число указанного жидкого топлива.
Предусматривается, что способ дополнительно содержит стадию создания указанной турбулентности путем пропуска части указанного воздуха на впуске и указанного жидкого топлива мимо множества кромок в указанной ограниченной трубке, при этом указанные кромки являются кромками ряда отверстий во множестве пластин, через которые проходят часть указанного воздуха на впуске и указанное жидкое топливо, а также дополнительно содержит стадию изгиба лопаток, сформированных из указанных кромок указанных отверстий в указанных пластинах, чтобы закручивать поток указанного воздуха на впуске и указанное жидкое топливо по спирали через указанную ограниченную трубку, причем дополнительно содержит стадию смешивания указанных капель топлива предопределенного размера и части указанного потока воздуха на впуске в корпусе дросселя указанного двигателя внутреннего сгорания и дополнительно содержит стадию смешивания указанных капель топлива предопределенного размера и части указанного потока воздуха на впуске во впускном коллекторе указанного двигателя внутреннего сгорания.
Предлагается также вариант устройства для приема распыленного топлива из топливной форсунки двигателя внутреннего сгорания и уменьшения частиц распыленного топлива до капель топлива приблизительно 50 микрон в диаметре, содержащее ограниченную трубку, в первый конец которой вставляется наконечник указанной топливной форсунки, а второй служит для ввода указанных капель топлива в поток воздуха на впуске указанного двигателя внутреннего сгорания; источник транспортирующего газа к указанному первому торцу указанной трубки; множество создающих турбулентность круглых пластин, смонтированных в указанной ограниченной трубке на определенном расстоянии друг от друга; при этом при прохождении указанного транспортирующего газа через указанную ограниченную трубку струя топлива разбивается на отдельные капли топлива турбулентностью, создаваемой указанными круглыми пластинами, после чего указанный транспортирующий газ и указанные капли топлива смешиваются с потоком воздуха на впуске указанного двигателя внутреннего сгорания, причем каждая из указанного множества создающих турбулентность пластин имеет отверстие и установлена в указанной трубке перпендикулярно оси указанной трубки, а указанное отверстие находится в центре указанной пластины.
Предусматривается также, что указанное отверстие имеет круглую форму и дополнительно включает множества разрезов в указанной пластине, проходящих по направлению наружу от указанного круглого отверстия. Одна сторона каждого из указанных разрезов сформирована в виде лопатки, которая направляет указанный транспортирующий газ и указанное распыленное топливо, протекающие через указанную ограниченную трубку, по спирали, а транспортирующий газ содержит часть потока указанного воздуха на впуске.
Кроме того, предусмотрено, что транспортирующий газ отличается от воздуха на впуске и дополнительно является топливным или окислительным газом, вводимым непосредственно в первый конец указанной ограниченной трубки.
Также предусмотрено, что первый конец указанной ограниченной трубки имеет крышку с центральным отверстием, в которое входит наконечник указанной топливной форсунки и множество меньших отверстий вокруг указанного центрального отверстия, через которые проходит поток транспортирующего газа.
Кроме того, указанный первый конец указанной трубки является открытым торцом для ввода наконечника указанной топливной форсунки, которая размещена по центру указанного открытого торца.
Предлагается также вариант устройства для преобразования распыленного топлива в капли предопределенного размера для двигателя внутреннего сгорания, содержащее клапан-дозатор топлива, размещенный в канале двигателя и реагирующий на сигналы компьютера двигателя для вспрыскивания указанного распыленного топлива в цилиндры; ограниченную трубку, имеющую первый конец для приема указанного распыленного топлива, при этом противоположный второй конец сообщается с указанным каналом; указанный первый конец указанной ограниченной трубки дополнительно служит для приема газа вместе с указанным топливом; множество создающих турбулентность устройств, установленных внутри указанной ограниченной трубки и выполненных таким образом, что указанный поток газа и указанное распыленное топливо проходят через указанные вызывающие турбулентность устройства, которые разбивают топливо на капли предопределенного размера и меньшего размера, и затем происходит смешивание указанных капель предопределенного размера и меньшего размера и указанного транспортирующего газа с потоком воздуха на впуске указанного двигателя. Указанные капли предопределенного размера и меньшего размера имеют диаметр меньше 50 микрон.
Кроме того, каждое из указанного множества создающих турбулентность устройств дополнительно содержит пластину, имеющую отверстие, через которое проходят указанное распыленное топливо и указанный транспортирующий газ, при этом каждая платина имеет множество разрезов, расходящихся от указанного отверстия, а каждый разрез из указанного множества разрезов более широкий около указанного отверстия и сужается по мере удаления от указанного отверстия, причем одна сторона каждого из указанных разрезов сформирована в виде лопатки, которая направляет указанный транспортирующий газ и указанное распыленное топливо, протекающие через указанную ограниченную трубку, по спирали.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 - общий вид системы в соответствии с изобретением, в которой может быть использовано несколько устройств, как один компонент системы.
Фигура 1a - схема конкретной антидетонационной системы подачи топлива по настоящему изобретению.
Фигура 1b - схема конструкции, относящейся к другому варианту настоящего изобретения.
Фигура 2 - продольный разрез устройства, схема которого показана на фигуре 1а.
Фигура 2а - вид с торца на вариант устройства, показанный на фигуре 1а.
Фигура 2b - вид в продольном разрезе на устройство другого варианта изобретения.
Фигура 3 - вид сверху на круглую закручивающую разбивающую пластину варианта изобретения, показанного на фигуре 1а.
Фигура 4 - вид сбоку на круглую закручивающую разбивающую пластину варианта изобретения, показанного на фигуре 1а.
Фигура 5 - продольный разрез круглой закручивающей разбивающей пластины, иллюстрирующий особенность работы этой пластины.
Фигура 6 - вид в частичном разрезе на цилиндр и камеру сгорания дизельного двигателя, оснащенного звездной трубкой по настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основной принцип действия настоящего изобретения заключается в создании распыленного топлива, имеющего капли определенного размера, в основном около 50 микрон или менее, так что капли топлива можно рассматривать как находящиеся в основном в парообразном состоянии. По концепции изобретения, как показано на фигуре 1, корпус дросселя или впускной коллектор 1 должен быть снабжен неким устройством 2, которое получает жидкое топливо из топливного бака 3 посредством топливного насоса 4 и служит для преобразования этого топлива в капли 5 упомянутого размера и обеспечения ввода капель в поток воздуха, поступающего в двигатель внутреннего сгорания. Слишком большие капли и возможный избыток паров топлива возвращаются в бак 3 по линии 6.
Капли большого размера могут быть отделены центробежной силой в вихре по регулируемому пути. Для улавливания слишком крупных частиц могут также использоваться сетчатые фильтры.
Соответственно могут быть использованы устройства типа пьезоэлектрических форсунок, керамических сеток, получающие топливо под давлением, специальные сопла, такие как SIMPLEXTM и LASKINTM, разбрызгивание сжатым воздухом, распылители с вращающейся форсункой, струйные устройства, в которых используется струйное или пузырьковое распыление, сопла для распыления инсектицида и другие сопла, такие как SPRAYTRONT, тип m, поставляемые корпорацией CHARGE INJECTION CORPORATION, Нью-Джерси, которые могут быть встроены в корпус дросселя или впускного коллектора. Кроме того, устройства типа NEBUROTORTM поставляются корпорацией IGEBA GERAETEBAU CORPORATION (Германия). В этом устройстве используется приводимое двигателем вращающееся лезвие, которое разбивает жидкое топливо на капли желаемого размера.
В одном конкретном варианте изобретения часть нормального потока воздуха, проходящего через впускной коллектор, отклоняется и используется для обработки топлива, распыляемого одной или несколькими топливными форсунками в капли предопределенного размера. В этом варианте используется ряд лопаток, расположенных под углом, чтобы активно закручивать отклоненный поток воздуха на впуске и капли топлива, вынуждая воздух и капли топлива проходить в трубопроводе через пазы, сформированные лопатками. Лопатки также создают турбулентность в трубопроводе, вызывая механический разрыв топлива на маленькие капли. В результате этих совместных действий по спиральной траектории создается центробежная сила, воздействующая на капли топлива, и эта сила разрывает капли на части, а турбулентность помогает дробить крупные частицы. По мере того как капли последовательно уменьшаются при прохождении через звездную трубку, предполагается, что центробежные и сдвигающие силы преодолевают поверхностное натяжение в каплях жидкого топлива вплоть до достижения точки равновесия между центробежными и сдвигающими силами и поверхностным натяжением капли. Точно так же, поскольку размеры частицы приближаются к желательным верхним пределам, быстрое вращение по оси звездной трубки заставляет частицы, которые все еще больше желательного размера, дрейфовать по направлению наружу от центра в более узкие области последующих лопаток для дальнейшей обработки, в то же время разрешая частицам правильного размера течь в основном около или через центральное отверстие по оси звездной трубки. После прохода через звездную трубку конечный аэрозоль смешивается с остальной частью воздуха на впуске, и топливовоздушная смесь всасывается в камеру сгорания.
Описанный здесь способ создает топливовоздушную смесь, которая позволяет использовать топливо с меньшим октановым числом без детонации с более высокой, чем обычно, степенью сжатия в двигателе с искровым зажиганием. Как отмечено выше, существует много различных устройств и способов для создания аэрозолей с приблизительно тем же размером капли, которые могут быть использованы в настоящем изобретении. Проведя ряд экспериментов, заявитель обнаружил, что когда распыленное топливо, используемое в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием, состоит из капель нужного размера, уменьшается стук подшипников при работе двигателя. В данном изобретении предполагается, что предел, до которого может быть снижена детонация двигателя, зависит от того, насколько хорошо регулируется размер капель топлива. Капли топлива, которые являются слишком большими, не будут сгорать полностью, вызывая потерю мощности и появление несгоревших углеводородов в выхлопном газе. С другой стороны, если капли слишком малы и в процессе распыления появляется слишком много пара, малые капли и пар могут самопроизвольно детонировать из-за увеличенного сжатия в двигателе под нагрузкой или если степень сжатия двигателя слишком высока для октанового числа данного топлива. Опытным путем было найдено, что желательный диапазон размера капель в основном менее 50 микрон или при диаметре больше диаметра субмикронных групп молекул, которые, как полагают, являются паром. В пределах этого диапазона размер капли порядка 20 микрон представляется оптимальным. Если размеры капли превышают 50 микрон, мощность начинает снижаться, и уровень несгоревших углеводов в выхлопных газах повышается. В двигателе, где уровень выхлопа регулируется автоматически, несгоревшие углеводороды могут заставить регулятор уменьшить поступление топлива в топливно-воздушную смесь, создавая ситуацию, при которой двигатель не развивает номинальной мощности.
В настоящем описании фигура 1а показывает на примере один из возможных вариантов переходника в виде «звездной трубки» 10, которая может быть установлена между обычной топливной форсункой 12 и впускным каналом 14 в корпусе дросселя 16 (пунктирные линии) или во впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания. Традиционно топливная форсунка 10 соединяется со впускным каналом 14, чтобы обеспечить доступ мелких капель топлива в впускной воздух, который, как показано стрелками 18, проходит через корпус дросселя и впускной коллектор. Как показано на чертеже, один конец В звездной трубки 10 выполнен таким образом, что в него входит конец топливной форсунки 12, а другой конец А топливной форсунки имеет форму, позволяющую переходнику входить в канал системы впрыскивания топлива 14, в который обычно входит топливная форсунка. В некоторых производимых в настоящее время двигателях имеется несколько топливных форсунок в соответствующих каналах в корпусе дросселя, которые обеспечивают поступление топлива ко всем цилиндрам двигателя, и, таким образом, создается звездная трубка для каждой соответствующей форсунки. Часть воздуха на впуске 18, проходящего через корпус дросселя (или впускной коллектор) 16, входит в отверстия О на торце В звездной трубки, чтобы создать турбулентность и разбить капли топлива. В других двигателях, снабженных топливными форсунками и соответствующими каналами вспрыскивания топлива для каждой камеры сгорания, эти каналы, как правило, располагаются во впускном коллекторе, примыкающем к соответствующему впускному каналу или клапану, при этом корпус топливной форсунки установлен с внешней стороны впускного коллектора. Здесь, как и описано выше, звездная трубка может быть помещена на конце А для стыковки с инжекторным каналом, поскольку она имеет уменьшенный диаметр и может быть размещена у другого конца D, в который входит инжекторный конец топливной форсунки. В этом примере часть воздуха на впуске может быть направлена к звездной трубке, чтобы создать поток воздуха через звездную трубку, или можно использовать газ-носитель, который направляется в трубку независимо от потока воздуха на впуске. Этот газ-носитель может быть инертным газом типа сухого азота, отфильтрованных атмосферных газов или горючего газа типа пропана или бутана. Там, где используются пропан или бутан, октановое число топлив, имеющих нижний уровень октанового числа, может быть увеличено из-за более высокого октанового числа пропана и бутана. Кроме того, газ-носитель может являться или включать в себя окислительный газ типа окиси азота, которая может быть транспортирована через звездную трубку в количестве или пропорции, соразмерной с ее использованием как разгонной добавки. В этом примере поток газа, движущийся через звездную трубку, может быть переключен на другой газ, который может горючим или негорючим газом типа окиси азота. Кроме того, другие газы, которые повышают октановое число топлива, снижают загрязнение окружающей среды, увеличивают выходную мощности двигателя или увеличивают поверхностное натяжение капель топлива, также могут использоваться, отдельно или в сочетании. Кроме того, могут использоваться пары жидкостей, например пары спирта. Таким образом, очевидно, что любой газ или пар или их сочетание могут быть использованы для создания потока газа через звездную трубку, причем этот поток обладает достаточно высокой скоростью, чтобы создать турбулентность, способную механически разбить крупные капли топлива в малые размером в пределах предопределенного диапазона.
Как показано на фигуре 1b, источник газа может быть соединен со звездными трубками полой кольцевой обоймой 20, открытой на нижней стороне около отверстий О на конце звездной трубки и прикрепленной к верхней части звездной трубки. Инжекторы 12 входят в отверстие кольцевой обоймы и сообщаются с внутренней частью звездной трубки. Источник газа 22 сообщается с отверстиями обоймы 20 и может быть снабжен клапаном 24 (пунктирные линии), служащим для пропуска газа во взаимодействии с топливной форсункой, подключаемой для впуска распыленного топлива. В других примерах газ может просто подаваться в виде непрерывного потока. В другом варианте звездные трубки 10 могут быть просто закрыты сверху, за исключением отверстия для топливной форсунки, когда газ 22 подается непосредственно в звездные трубки. Во всех примерах, если необходимо, звездные трубки и топливная форсунка традиционно устанавливаются и поддерживаются кронштейнами или тому подобной конструкцией (пунктирные линии на фигуре 1а), что очевидно любому специалисту.
Поскольку выхлопные газы многих современных двигателей контролируются для определения необходимого количества топлива, вводимого в воздух на впуске, добавление любого из вышеупомянутых газов или паров к воздуху на впуске будет компенсировано регулятором двигателя, чтобы удерживать топливовоздушную смесь в стехиометрической пропорции. Далее, в примере, где в двигателе предусмотрена топливная форсунка для каждой камеры сгорания, во впускном коллекторе (произведенном изготовителем комплектного оборудования) могут быть установлены топливные форсунки и звездные трубки в непосредственной близости от соответствующего впускного канала камеры сгорания с воздухоприемником или независимым каналом, установленным во внутренней части впускного коллектора, чтобы пропустить соответствующую порцию воздуха на впуске через звездную трубку. Альтернативно, количество газа или пара, проходящего через звездную трубку, может регулироваться автоматическим регулятором двигателя для поддержания стехиометрического соотношения топливовоздушной смеси или для увеличения или уменьшения потока газа, проходящего через звездную трубку, чтобы компенсировать или изменить количество воздуха на впуске при нажатии на педаль акселератора. Альтернативно, можно использовать связи, соединенные с клапанной системой для такого увеличения и уменьшения потока воздуха через звездную трубку.
Обратимся снова к фигуре 1а. Как описано выше, звездные трубки 10 могут быть смонтированы в корпусе дросселя или в впускном коллекторе 16 между соответствующей топливной форсункой и впускным отверстием. Как правило, жидкое топливо подается топливным насосом низкого давления 26 в топливном баке к топливному насосу высокого давления 28, который традиционно создает поток топлива, подаваемого к топливным форсункам 12, как показано на чертеже. Форсунки 12 создают импульсные струи распыленного топлива под управлением регулятора двигателя (не показан), который определяет количество и выбор времени вспрыскивания аэрозолей. Эти струи распыленного топлива от топливных форсунок 12 подаются непосредственно в звездные трубки 10, в которых аэрозоль преобразуется в капли менее 50 микрон диаметром и затем подается в корпус дросселя, впускной коллектор или в любые другие области ввода топлива. Воздух на впуске и распыленное топливо обрабатываются в звездных трубках и затем вводятся в камеру сгорания (не показана). Подача топлива в топливные форсунки может быть регулируемой по постоянному давлению топливным регулятором давления 30, который сбрасывает избыточное давление прокачкой топлива высокого давления через возвратную трубку 32 в топливный бак 34, как показано стрелкой 36, вместе с любым паром, который сформировался в линии подачи топлива под высоким давлением. Конечно, любое из устройств, описанных выше и показанных на фигуре 1, может быть заменено на звездные трубки 10.
На фигуре 2 показан продольный разрез одной из звездных трубок 10. В начале на торце В звездной трубки, в который входит наконечник 38 топливной форсунки, имеется крышка, показанная в увеличенном масштабе на фигуре 2а, или другая заглушка 40, имеющая отверстие 44, которое может быть сведено на конус, чтобы соответствовать коническому наконечнику 38 системы впрыскивания топлива. В крышке 40 имеется множество отверстий О (на чертеже показаны 9 отверстий), которые расположены вокруг наконечника форсунки 38. Размер этих отверстий может быть выбран для обеспечения расхода воздуха через звездную трубку для конкретного двигателя. В примере, показанном на фигуре 2, звездная трубка рассчитана на подачу воздуха для рабочего объема цилиндра 350 кубических дюймов. В обычном варианте этого конкретного двигателя имеются четыре топливных форсунки, установленные в каналах, размещенных непосредственно на пути потока воздуха в корпусе дросселя двигателя, при этом топливная форсунка и звездные трубки устанавливаются и удерживаются с помощью кронштейнов (показанных на чертеже пунктиром). Таким образом, звездная трубка устанавливается между каждым каналом и соответствующей топливной форсункой.
Хотя на чертеже отверстия О имеют определенную форму, можно использовать другие размеры и типы отверстий. Например, как показано на фигуре 2b, можно использовать одно круглое отверстие 37 вокруг наконечника 38 топливной форсунки по размеру внутреннего диаметра звездной трубки или несколько отверстий О меньшего размера, расположенных на торце В звездной трубки. Кроме того, как отмечено выше, клапаны, соединенные с отверстиями О, или один клапан, связанный с торцом звездной трубки, могут быть использованы для пропуска струи газа или пара в форсунку 12, которая выдает распыленное топливо. Как описано выше, наиболее важной особенностью звездных трубок и потока газа через них является то, что капли топлива разбиваются на капли размером приблизительно 50 микрон или менее. Кроме того, формирование капель звездными трубками помогает свести к минимуму образование паров топлива в потоке воздуха на впуске.
Как отмечено выше, звездная трубка круглой формы, которая хорошо работает для рабочего объема цилиндра 350 кубических дюймов, показана на фигуре 2. В этом варианте часть трубки 42 имеет наружный диаметр приблизительно 1,5 дюйма и внутренний диаметр приблизительно 1 дюйм.
Крышка 40 имеет множество (показано 9) отверстий О по периферии крышки, и каждое из этих отверстий О имеет диаметр приблизительно 0,187 дюйма. Центральное отверстие 44 в крышке 40 имеет диаметр приблизительно 0,5 дюйма, чтобы обеспечить вхождение в нее наконечника топливной форсунки 38. В примере, где имеется простое круглое отверстие вокруг наконечника 38 топливной форсунки в крышке 40, или там, где крышка 40 вообще отсутствует, корпус форсунки будет смонтирован снаружи звездной трубки с тем, чтобы наконечник 38 был бы расположен коаксиально по отношению к торцу звездной трубки, формируя круглое отверстие вокруг наконечника форсунки 38.
Область трубки 42, примыкающая к крышке 40, которая может иметь толщину приблизительно 0,250 дюйма, сведена на конус на внутренней стороне по длине приблизительно 0,5 дюйма длины части трубки, чтобы обеспечить зазор для отверстий О, которые могут быть выполнены по периферии крышки 40, и обеспечить область подачи распыленного топлива из форсунки.
Дополнительно этот конус может в некоторой степени сжимать воздух, проходящий через отверстия О, в основном ускоряя поток воздуха, проходящего через звездную трубку. Альтернативно, звездная трубка может быть выполнена из более тонкого материала. В этом случае распыленное топливо от топливной форсунки сначала вводится в звездную трубку вместе с потоком газа. Поток газа и капли распыленного топлива сталкиваются с множеством (показано 5) последовательно размещенных звездных закручивающих и разбивающих пластин 46, расположенных на расстоянии приблизительно 0,75 дюйма друг от друга, причем самая близкая к форсунке пластина находится на расстоянии приблизительно 0,75 дюйма от внутреннего перехода конуса. Звездные закручивающие и разбивающие пластины могут быть установлены в трубке неподвижной посадкой между гранями каждой пластины и внутренней частью трубки с помощью выступов или опор на внутренней поверхности трубки, на которую опираются пластины, укрепляя пластины в трубке крепежными элементами, как показано блоком 48 на фигуре 2. Далее, если крепление звездной закручивающей и разбивающей пластины в звездной трубке случайно ослабнет, торец звездной трубки, наиболее близкий к соответствующему отверстию впускного коллектора или к каналу в корпусе дросселя, может быть слегка сужен или иным путем деформирован с тем, чтобы закручивающая и разбивающая пластина не была бы вовлечена во впускной коллектор, где она могла бы столкнуться с клапаном или войти в камеру сгорания.
Каждая из закручивающих и разбивающих пластин 46 имеет множество типов отверстий (фигура 3), причем эти отверстия состоят из центрального отверстия 50 диаметром приблизительно 0,5 дюйма и множества (в этом примере 6) сужающихся спицеобразных отверстий или прорезей 52, сообщающихся центральным отверстием 50 и радиально отходящих от него. Как показано на фигуре 3, прорези 52 у центрального отверстия 50 могут быть относительно широкими и сходятся по углом в точке 54, расположенной по радиусу на расстоянии, приблизительно равном 50-85 процентам диаметра звездных закручивающих и разбивающих пластин 46. Отношение диаметра звездной закручивающей и разбивающей пластины 46 к диаметру центрального отверстия 50 может быть приблизительно равно от 3 до 1, однако, было найдено, что диапазон от 1.5 до 1 или от 5 до 1 обеспечивает работоспособность устройства.
В качестве одного из признаков изобретения на фигурах 3-5 также показаны отогнутые вниз лопатки 56, расположенные на кромках каждого из отверстий 52.
Лопатки 56 могут быть отогнуты под углом от нескольких градусов до почти 90 градусов от плоскости звездной закручивающей и разбивающей пластины, как показано на фигурах 4 и 5. Однако в одном рассмотренном варианте, который успешно работает, используется угол лопатки, равный приблизительно 40 градусам. Лопатки 56 вместе с противоположной кромкой 58 отверстий 52 служат для формирования граней 60 (фигура 5), которые создают турбулентность, когда поток воздуха проходит через соответствующее отверстие 52. Эта турбулентность сдвигает и разбивает большие капли топлива на мелкие капли, когда поток последовательно проходит через звездные закручивающие и разбивающие пластины 46 до достижения желательного размера капли порядка 50 микрон. Кроме того, поскольку все лопатки 56 могут быть ориентированы для направления потока воздуха в одном и том же направлении, можно обеспечить закручивание распыленной смеси при ее прохождении через звездную трубку (по часовой стрелке на фигуре 3), заставляя большие капли топлива дрейфовать по направлению наружу под воздействием центробежной силы к периметру звездной трубы, где они должны пройти через более узкую часть отверстий 52, где турбулентность еще более возрастает. В этой области высокая турбулентность, развиваемая более узкими отверстиями 52, в сочетании с острыми краями 60 разбивает большие капли на более мелкие. Точно так же малые капли топлива, на которые почти не воздействует центробежная сила, стремятся пройти через части отверстий 52 ближе к центральному отверстию 50 или через само центральное отверстие.
Кроме того, было найдено, что лопатки могут быть загнуты примерно под одним и тем же углом вверх или вниз в смысле равной эффективности преобразования больших капель в мелкие. При вращении капель, вызванных загнутыми вниз лопатками, происходит быстрое осевое вращение топливовоздушной смеси, проходящей через звездную трубку, а загнутые вверх лопатки также создают быстрое вращение смеси, проходящей через звездную трубку, в дополнение к вышеупомянутому действию среза капель краями отверстий 52.
Хотя в данном описании раскрыта звездная закручивающая и разбивающая пластина, были испытаны и другие конфигурации круглых пластин с отверстиями, которые были вполне работоспособны, хотя и в меньшей степени, но, тем не менее, практически пригодны. Например, в одном испытании закручивающие и разбивающие пластины были заменены обычными плоскими шайбами. В этом примере вращения потока воздуха не было, тогда как относительно острые края центральных отверстий шайб создавали турбулентность. Этот вариант работал с эффективностью приблизительно 40% от таковой круглых пластин с радиально расходящимися прорезями. Отсюда следует, что в пластинах могут быть использованы отверстия любой конфигурации. Они включают звездообразные отверстия, прямоугольные отверстия, квадратные отверстия или отверстия любой другой конфигурации. Кроме того, эти отверстия могут чередоваться между последовательными пластинами так, чтобы первая пластина имела бы отверстие одной конкретной конфигурации, а следующая пластина имела бы отверстие другой конфигурации и т.д.
На противоположном конце звездной трубки (этот конец входит в канал топливной форсунки впускного коллектора или корпуса дросселя) обработанная топливовоздушная смесь всасывается в корпус дросселя или в впускной коллектор, где обработанные топливные капли аэрозоля, взвешенные в воздухе, проходят через звездную трубку и смешиваются с воздухом, проходящим через корпус дросселя или через впускной коллектор, и затем поступают в камеру сгорания.
Хотя звездные закручивающие и разбивающие пластины на чертеже содержат 6 спицевидных отверстий 52, может быть использовано большее или меньшее количество этих звездных закручивающих и разбивающих пластин, например три или больше шести. Точно так же, хотя показаны 5 звездных закручивающих и разбивающих пластин со звездообразными отверстиями, может быть использовано меньшее или большее количество этих звездных закручивающих и разбивающих пластин, например от 1 до 7. Аналогичным образом звездные трубки, звездные закручивающие и разбивающие пластины и отверстия в звездных закручивающих и разбивающих пластинах могут быть выбраны по размеру в зависимости от рабочего объема цилиндров двигателя и числа звездных трубок на цилиндр.
Поскольку основной функцией топливной форсунки является обеспечение выбранного количества топлива, определяемого топливным регулятором двигателя, топливная форсунка служит просто как регулируемая клапанная система, реагирующая на сигналы регулятора подачи топлива двигателя.
Таким образом, можно заменить топливную форсунку клапаном, который обеспечивает требуемое количество топлива, подаваемого в звездную трубку или любым другим устройством, как описано со ссылкой на фигуру 1, реагирующим на сигналы регулятора подачи топлива, со звездной трубкой или другим устройством, разбивающим топливо на капли предопределенного размера порядка 50 микрон или около того. Кроме того, звездные закручивающие и разбивающие пластины в звездной трубке могут быть оснащены рядом горизонтальных лопаток, чтобы закручивать воздух и топливовоздушную смесь через звездную трубку, отбрасывая большие капли топлива по направлению наружу и заставляя их проходить через более узкие части горизонтальных разрезов, которые сформированы лопатками, которые, в свою очередь, обеспечивают механический разрыв больших капель в более мелкие. В этом варианте смесь также закручивается вокруг оси звездной трубки вместе с турбулентным вращением в результате прохождения через разрезы. Сочетание этих вращений создает центробежные силы, которые вместе с действием срезающих выступов стремятся разорвать большие капли на части.
В результате уменьшения размеров капель центробежные и срезающие силы преодолевают поверхностное натяжение в жидкой капле до точки равновесия, после которой капли не могут больше уменьшаться, что, как отмечено выше, имеет место при размерах капли приблизительна 50 микрон, до субмикронных частиц в виде пара. Полученный аэрозоль затем воссоединяется с остальной частью воздуха на впуске и с воздухом-носителем, пропускаемым через все звездные трубки двигателя объемом порядка 5% полного объема воздуха на впуске, проходящего через корпус дросселя или впускной коллектор. Процесс разбивания больших капель может регулироваться добавками в топливо, чтобы ограничить разбиение капель вне выбранного наименьшего размера, типа 1-10 микрон или около этого. В этом случае добавка может быть выбрана с расчетом увеличения поверхностного натяжения в каплях топлива с тем, чтобы самые маленькие капли не разбивались на более мелкие капли, которые могут превратиться в пар. Например, добавление небольшого количества более тяжелого дизельного топлива к бензину или добавление небольшого количества глицерина или касторки со спиртом может увеличивать поверхностное натяжение или уменьшать летучесть топлива, чтобы облегчить формирование капли и свести к минимуму образование пара.
Изобретение заявителя было испытано на нескольких двигателях, чтобы проверить выполнимость, практичность и обрабатываемость звездных трубок.
Например, один такой двигатель был оборудован, как описано выше, и имел следующие характеристики:
Двигатель: Chevrolet 350 CID с расточкой до 0,030 дюйма, чтобы обеспечить 355 CID со степенью сжатия приблизительно 10,6:1.
Общее количество пусков двигателя: более 160.
Звездная трубка.
Шесть звездных закручивающих и разбивающих пластин, содержащих звездообразные отверстия с расстоянием от основания к основанию порядка 3/4 дюйма.
Наибольший антидетонационный эффект в этом двигателе был достигнут при наличии от 5 до 7 звездных закручивающих и разбивающих пластин.
При наличии более 7 звездных закручивающих и разбивающих пластин мощность начинала падать, вероятно, из-за ограничения подачи топлива. С 3 звездными закручивающими и разбивающими пластинами эффект все еще составлял 80% от эффекта с 5 звездными закручивающими и разбивающими пластинами. В этом двигателе внешний диаметр звездной закручивающей и разбивающей пластины составлял 15/16 дюйма, внутренний диаметр трубки - 13/16 дюйма. Внешний диаметр трубки - 11/4 дюйма.
Меньшие размеры звездных закручивающих и разбивающих пластин и трубок дают положительный эффект, но с пропорциональным снижением мощности двигателя. Следовательно, изменение размера звездных закручивающих и разбивающих пластин может быть функцией потока воздуха через двигатель (почти пропорционально размеру двигателя). Вероятно, имеет место значительная широта диапазона, но большая площадь круглых звездных пластин лучше для двигателей с большим рабочим объемом цилиндра, а меньшая площадь круглых звездных пластин лучше для двигателей с меньшим рабочим объемом цилиндра. Как правило, звездные трубки работают хорошо, когда они получают приблизительно 5% от полного объема воздуха на впуске, проходящего через впускной коллектор или корпус дросселя. Отверстие или отверстия в крышке 12 вокруг наконечника топливной форсунки в основном имеют такой размер, чтобы не оказывать сопротивление проходу газа через трубку.
Как правило, двигатель работает со скоростью от 5000 до 2500 об/мин, с чтением данных на обычном контрольном оборудовании двигателя.
Размер капель был измерен с помощью испытательного оборудования, в котором звездная трубка и соответствующая топливная форсунка были установлены в моделируемом корпусе дросселя, изготовленного из прозрачного материала. Воздушный компрессор или вентилятор использовались, чтобы всасывать воздух через моделируемый корпус дросселя при скоростях, моделирующих поток воздуха на впуске.
Лазерное интерферометрическое оборудование, которое обычно используется для измерения размера капель пестицида, использовалось нами для измерения размера капель топлива непосредственно после звездной трубки. Измерения на работающем двигателе осуществлялись через каждые 250 об/мин в диапазоне от 1500 об/мин до приблизительно 4500 об/мин. Критические данные детонации обычно лежат между 3500 и 2800 об/мин. Пиковый вращающий момент, как правило, лежит между 3000 и 4000 об/мин. Опережение зажигания было установлено для наилучшего вращающего момента (без детонации, если таковая имеется). При С-12 (топливо для гоночных автомобилей с октановым числом 108) не возникало никакой детонации независимо от величины опережения зажигания (оно не превышало 36 градусов). При использовании бензина с октановым числом около 80 пиковый вращающий момент со звездными трубками был, как правило, в пределах опережения зажигания от 28 до 30 градусов. Это всегда было равно или лучше, чем пиковый вращающий момент с С-12. Работа с С-12 использовалась для установки базовой линии.
Звездная трубка по настоящему изобретению может также работать с некоторыми дизельными двигателями, в которых топливо вводится после сжатия и воспламеняется путем сжатия. Примером этого устройства является фигура 6, на которой изображены в разрезе цилиндр и камера сгорания 60 дизельного двигателя. В этом конкретном дизельном двигателе вихревая камера 62 традиционно расположена в верхней части 64 камеры сгорания, а отсекатель вихря 66 традиционно расположен в поршне 68. Канал 70 соединяет вихревую камеру 62 с камерой сгорания 72. Топливная форсунка 74 установлена с возможностью ввода топлива в вихревую камеру 62, а звездная трубка 76 по настоящему изобретению установлена в канале 70 с расчетом приема топлива от форсунки 74 и передачи капель топлива в камеру сгорания 72. Следует отметить, что звездная трубка 76 имеет диаметр меньше диаметра канала 70, обеспечивая, таким образом, пропуск некоторой части воздуха мимо звездной трубки 76.
Устройство, показанное на фигуре 6, действует следующим образом. В цикле сжатия весь воздух для горения в основном сжат в вихревой камере. В соответствующее время, которое, как правило, составляет около 2 градусов перед верхней мертвой точкой для дизельного двигателя, топливо вводится в звездную трубку. В начале впрыскивания топлива в звездной трубке возникает местное горение топлива за счет небольшого количества кислорода в ней, что позволяет остаткам капель топлива распыляться в звездной трубке.
Остаток от капель топлива обрабатывается в звездной трубке, как описано выше, и продукты сгорания этого местного процесса горения выбрасываются из звездной трубки и смешиваются с воздухом, обходящим звездную трубку по каналу 70. В холодную погоду двигатель может быть запущен посредством обычной запальной свечи 80, расположенной под звездной трубкой 76.
Таким образом, после чтения описания нашего изобретения и способа его осуществления специалисты в данной области понимают, что могут быть выполнены изменения, не нарушающие духа и объема изобретения, определенные приведенной ниже формулой изобретения.
Реферат
Способ создания топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания содержит впрыскивание жидкого топлива в воздух на впуске, разбивание указанного жидкого топлива на капли предопределенного размера, смешивание капель топлива с потоком воздуха на впуске, втягивание потока воздуха на впуске, содержащего капли топлива, в камеру сгорания для сжигания и стадию прохождения транспортирующего газа, отличного от потока воздуха на впуске, содержащего жидкое топливо, через ограниченную трубку с множеством пластин, в которой создается турбулентность. Разбивание жидкого топлива осуществляют с помощью турбулентности, при этом регулируют количество топлива, вводимого в воздух на впуске. Устройство для приема распыленного топлива из топливной форсунки двигателя внутреннего сгорания и уменьшения частиц распыленного топлива до капель топлива приблизительно 50 микрон в диаметре содержит ограниченную трубку, в первый конец которой вставляется наконечник указанной топливной форсунки, а второй служит для ввода указанных капель топлива в поток воздуха на впуске двигателя внутреннего сгорания, источник транспортирующего газа к указанному первому торцу указанной трубки, множество создающих турбулентность круглых пластин, смонтированных в указанной ограниченной трубке на определенном расстоянии друг от друга. Использование изобретения позволит снизить требования к октановому числу двигателей для данной степени сжатия. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил.
