Способ и система для кондиционирования жидкого топлива - RU2545262C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области сгорания жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания, а более конкретно - к системам прямого впрыска топлива с общим коллектором форсунок и общим насосом высокого давления и к системам с индивидуальными для каждого цилиндра двигателя блоками насос-форсунка, в которых в насос (или насосы) высокого давления подается кондиционированное топливо в виде ненасыщенного раствора в указанном топливе таких газов, как СО₃, воздух или смесь газов с целью достижения высокой степени диспергирования топлива в камере сгорания.

Уровень техники

Общеизвестно, что диспергирование жидкого топлива создает развитую активную поверхность этого топлива, что позволяет сжигать его более эффективно. Малый размер камеры сгорания в поршневом двигателе, например, приводит к образованию жидкой пленки на поверхности поршня и стенках цилиндра. Эта часть топлива не сжигается полностью и теряется с выхлопными газами. Неравномерное распределение разноразмерных частиц жидкого топлива в объеме камеры сгорания вызывает задержку распространения пламени, снижая эффективность сгорания и понижая мощность. Повышение степени диспергирования позволяет избежать упомянутые проблемы. Более полное сгорание топлива обеспечивает более высокую мощность. При этом температура сгорания уменьшается, уменьшая температуру выхлопных газов (таких, например, как NO_x или СО₂), загрязняющих окружающую среду, и их количество.

Существуют различные способы диспергирования жидкого топлива. Например, с помощью инжекторов с электронным управлением, питаемых общим насосом высокого давления (системы с общим коллектором форсунок), или с помощью устройств прямого впрыска, каждое из которых включает топливный инжектор с электронным управлением и насос высокого давления (системы насос-форсунка). Последние разработки в области прямого впрыска топлива наиболее крупными автомобильными фирмами привели к созданию систем с очень высоким давлением перед инжекторами - до 2400 бар. Более тонкое диспергирование топлива при таком давлении обеспечивает значительно более высокую эффективность двигателя. Но даже эти системы не лишены упомянутых недостатков. Кроме того, высокий уровень давления требует более высокого уровня технологии изготовления, более совершенной конструкции и гораздо более квалифицированного персонала по обслуживанию и ремонту двигателей. Все это означает более дорогие конечные продукты - автомобили, дизельные генераторы, сельскохозяйственную технику и т.д.

Известны попытки диспергирования топлива растворением такого газа, как, например, воздух или углекислый газа, в топливе при высоком давлении с последующим впрыском этого топлива в камеру сгорания. Растворенный газ интенсивно выделяется из раствора после впрыска, обеспечивая более тонкое и равномерное распыление.

В этом контексте сделана ссылка на известные патенты, такие, например, как патенты США 4596210, 6273072 и 7011048 В2. В этих патентах описываются устройства и методы, обеспечивающие описанный эффект.

Например, в патенте США 7011048 В2 описывается система модификации топлива, включающая устройство для растворения газа в жидком топливе с помощью высокоразвитых абсорбирующих поверхностей, созданных гофрированными вкладышами, размещенными в специально сконструированной емкости. Из этой емкости топливный раствор поступает в насос, повышающий его давление. Для предотвращения выделения пузырьков газа раствор охлаждается перед подачей его в инжекторы. В соответствии с законом Генри точка насыщения (максимальная концентрация газа в растворе) повышается, когда давление увеличивается, а температура падает.

Описанный вариант требует специально конструируемое устройство, которое, как полагают, работает в определенном диапазоне параметров (скорости ламинарного потока и определенного давления газа и жидкости) для обеспечения требуемого растворения газа в топливе, и в то же время газ и жидкое топливо, как полагают, должны иметь определенные параметры для нормальной работы системы подачи топлива в камеру сгорания. Оба эти требования трудно удовлетворить одновременно.

Испытания доказали, что гораздо менее сложная система может обеспечить реализацию упомянутого процесса диспергирования. Это особенно важно в случае комбинирования упомянутого процесса диспергирования с помощью выделения газа из раствора жидкое топливо/газ как с технологией системы прямого впрыска в системах с общим коллектором инжекторов, так и с технологией системы прямого впрыска при помощи блоков насос-инжектор, так как в двух последних технологиях уже применяется насос высокого давления - один из наиболее дорогих компонентов системы подачи топлива. Очень важно подчеркнуть, что комбинирование двух методов диспергирования может позволить существенно уменьшить уровень давления в системе с получением тем не менее более мелкого распыления топлива, или скорее раствора топливо/газ, благодаря усиленному выделению газа, сопутствующему механическому распылению жидкости в результате ее впрыска.

Также можно отказаться от системы охлаждения топлива, так как насос (насосы) высокого давления создают давление, которое может легко компенсировать повышение температуры в жидком растворе топливо/газ, и насос может легко справиться с выделением нескольких пузырьков газа на пути от емкости для кондиционирования до насоса.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства, которые исключают вышеупомянутые недостатки и обеспечивают дальнейшее усовершенствование впрыска кондиционированного топлива в камеру сгорания.

С учетом упомянутой и других рассматриваемых задач в соответствии с изобретением предлагается система кондиционирования и подачи топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, содержащая: емкость для кондиционирования топлива, имеющую, по меньшей мере, одну форсунку для диспергирования топлива, впрыскиваемого в эту емкость, по меньшей мере, один входной порт для подачи газа в эту емкость, выходной порт для кондиционированного топлива и датчик уровня кондиционированного топлива для мониторинга уровня заполнения этой емкости; регулятор давления газа с электронным управлением, поддерживающий давление Р₂ газа; источник газа; газопровод, соединяющий выходной порт источника газа с входным портом регулятора давления газа; газопровод, соединяющий регулятор давления газа с, по меньшей мере, одним входным портом емкости для кондиционирования топлива; топливный насос низкого давления с электронным управлением, гидравлически соединяющий источник топлива с, по меньшей мере, одной форсункой для диспергирования топлива, при этом топливный насос низкого давления повышает давление топлива до уровня P₁, превышающего уровень давления газа Р₂, и подаваемый в емкость газ растворяется в топливе, образуя кондиционированное топливо; топливный насос высокого давления, повышающий давление кондиционированного топлива до уровня Р₃, превышающего давление Р₄ в камере сгорания в момент впрыска, и линию подачи кондиционированного топлива, гидравлически соединяющую выходной порт емкости для кондиционирования топлива с входным портом топливного насоса высокого давления; систему подачи топлива типа Common Rail для подачи кондиционированного топлива от топливного насоса высокого давления к топливным инжекторам с электронным управлением для впрыска в камеру сгорания под давлением Р₃, превышающим давление Р₄ в этой камере в момент впрыска; и систему электронного управления, соединенную с регулятором давления газа, с топливным насосом низкого давления и с топливными инжекторами с электронным управлением для обеспечения оптимизации времени и длительности работы устройств с электронным управлением для максимальной эффективности топлива.

Также предлагается система кондиционирования и подачи топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, содержащая: емкость для кондиционирования топлива, имеющую, по меньшей мере, одну форсунку для диспергирования топлива, впрыскиваемого в эту емкость, по меньшей мере один входной порт для подачи газа в эту емкость, выходной порт для кондиционированного топлива и датчик уровня кондиционированного топлива для мониторинга уровня заполнения этой емкости; регулятор давления газа с электронным управлением, поддерживающий давление Р₂ газа; источник газа; газопровод, соединяющий выходной порт источника газа с входным портом регулятора давления газа; газопровод, соединяющий регулятор давления газа с, по меньшей мере, одним входным портом емкости для кондиционирования топлива; топливный насос низкого давления с электронным управлением, гидравлически соединяющий источник топлива с, по меньшей мере, одной форсункой для диспергирования топлива, при этом топливный насос низкого давления повышает давление топлива до уровня P₁, превышающего уровень давления газа Р₂, и подаваемый в емкость газ растворяется в топливе, образуя кондиционированное топливо; множество блоков насос-форсунка, каждый из которых содержит топливный насос высокого давления, входной порт которого гидравлически соединен линией подачи кондиционированного топлива с выходным портом емкости для кондиционирования топлива, и топливный инжектор с электронным управлением, при этом каждый топливный насос высокого давления подает топливо от емкости для кондиционирования топлива к топливному инжектору с электронным управлением и повышает давление перед топливным инжектором с электронным управлением до уровня Р₃, превышающего уровень давления Р₄ в камере сгорания в момент впрыска; и систему электронного управления, соединенную с регулятором давления газа, с топливным насосом низкого давления и с топливными инжекторами с электронным управлением для обеспечения оптимизации времени и длительности работы устройств с электронным управлением для максимальной эффективности топлива.

Также предлагается способ кондиционирования топлива и подачи кондиционированного топлива в процесс сгорания, включающий: (а) обеспечение емкости для кондиционирования топлива, имеющей, по меньшей мере, одну форсунку для диспергирования топлива, впрыскиваемого в эту емкость, по меньшей мере, один входной порт для подачи газа в эту емкость, выходной порт для кондиционированного топлива и датчик уровня кондиционированного топлива для мониторинга уровня заполнения этой емкости; (b) подачу в упомянутую емкость жидкого топлива с относительно высоким давлением P₁, превышающим давление газа Р₂, что обеспечивает удовлетворительное диспергирование топлива и расход топлива через форсунку для диспергирования топлива, достаточный для заполнения упомянутой емкости со скоростью не ниже скорости поглощения топлива камерой сгорания; (с) подачу, по меньшей мере, одного газа с давлением Р₂ в упомянутую емкость через ее входной порт для подачи газа во время кондиционирования и подачу кондиционированного топлива через топливный насос высокого давления, систему подачи топлива типа Common Rail и топливные инжекторы с электронным управлением или через множество блоков насос-форсунка в камеру сгорания; и (d) добавление топлива в упомянутую емкость каждый раз, когда датчик уровня выдает сигнал о достижении уровнем своего низкого значения, и автоматическое прекращение заполнения упомянутой емкости после получения сигнала от датчика уровня, регистрирующего высокий уровень кондиционированного топлива в упомянутой емкости.

Уровень концентрации газа в кондиционированном топливе предпочтительно устанавливается выше уровня насыщения для условий, имеющих место в камере сгорания в момент впрыска.

Другие отличительные признаки, характерные для настоящего изобретения, изложены в приведенной формуле изобретения.

Хотя изобретение иллюстрируется и описывается здесь, как воплощенное в системе и способе для кондиционирования жидкого топлива, оно тем не менее не ограничено только показанными элементами в связи с тем, что в него могут быть внесены различные дополнения и конструктивные изменения, не изменяющие сущность и объем изобретения, а также эквивалентов формулы изобретения.

Конструкция и способ работы изобретения наряду с его дополнительными задачами и преимуществами будут более понятными из последующего описания конкретных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой блок-схему системы кондиционирования топлива для двигателя внутреннего сгорания с системой прямого впрыска, имеющей общий коллектор форсунок с электронным управлением и единый насос высокого давления.

Фиг.2 представляет собой блок-схему системы кондиционирования топлива для двигателя внутреннего сгорания с системой прямого впрыска, оснащенной блоками насос-форсунка.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Со ссылкой более подробно на Фиг. 1, система содержит топливный бак 1, топливный фильтр 2, топливный насос 3 низкого давления для подачи жидкого топлива из топливного бака 1 по топливной линии 4 в, по меньшей мере, одну, установленную в емкости 6 для кондиционирования топлива, форсунку 5 для диспергирования топлива в этой емкости. Топливный насос низкого давления 3 обеспечивает давление топлива P₁. Уровень топлива в емкости 6 контролируется автоматическим датчиком 7 уровня кондиционированного топлива. Источник 9 сжатого газа (например, воздуха, углекислого газа, смеси газов и т.д.) соединяется газопроводом 10 с входным портом регулятора 11 давления, установленного в газопроводе 12 и поддерживающего в нем давление газа Р₂.

Давление газа Р₂ устанавливается ниже давления топлива Р1, создаваемого топливным насосом 3 низкого давления, на уровне, обеспечивающем удовлетворительную работу форсунки 5. Диспергирование топлива при его впрыске в емкость 6 приводит к растворению значительного количества газа в топливе. Газопровод 12 соединяет выходной порт регулятора 11 давления с входным газовым портом емкости для кондиционирования топлива 6, расположенным в верхней части этой емкости.

Выходной порт емкости 6, расположенный в его нижней части, гидравлически соединяется линией 13 с входным портом топливного насоса 14 высокого давления. Выходной порт насоса 14 гидравлически соединяется линией 15 с общим коллектором топливных форсунок 16, в свою очередь, гидравлически соединенным линиями 17 с электронно-управляемыми форсунками 18 (двигатель не показан).

Предусмотрена система регулирования уровня топлива в емкости 6, включающая в себя автоматический датчик 7 уровня кондиционированного топлива, установленный в емкости 6 для обеспечения в ней почти постоянного уровня кондиционированного топлива и, таким образом, постоянных условий приготовления кондиционированного топлива.

Жидкое топливо закачивается топливным насосом низкого давления 3 в емкость 6 для кондиционирования топлива. Топливо диспергируется в верхнюю часть емкости 6 для кондиционирования топлива, куда также по линиям 10 и 12 подается сжатый газ (например, воздух или углекислый газ) из резервуара 9 сжатого газа (в случае использования углекислого газа) или от воздушного компрессора (не показан). Давление газа Р₂ устанавливается ниже давления P₁, обеспечиваемого топливным насосом 3 низкого давления, что гарантирует удовлетворительные условия работы форсунки 5. Диспергирование жидкого топлива в верхнюю часть емкости 6, занятую газом, приводит к растворению определенного количества газа в распыленном жидком топливе. Количество растворенного газа особенно зависит от давления P₂ в емкости 6 для кондиционирования топлива. Автоматический датчик 7 уровня кондиционированного топлива устанавливается в емкости для кондиционирования топлива 6 для обеспечения незначительных изменений объемов жидкости и газа, заполняющих эту емкость, что важно для создания почти постоянных условий приготовления кондиционированного топлива.

Приготовленное кондиционированное топливо подается по линии 13 в топливный насос 14 высокого давления, где его давление повышается до уровня Р₃, превышающего давление Р₄ в камере сгорания двигателя (не показан). Кондиционированное топливо подается далее по линиям 15 высокого давления в общий коллектор топливных форсунок 16, который соединен гидравлически по линиям 17 высокого давления с электронно-управляемыми форсунками 18. Электронно-управляемые форсунки 18 впрыскивают точные порции кондиционированного топлива в точное время в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.

В связи с тем, что давление впрыскиваемого кондиционированного топлива выше давления в камере сгорания, а температура в камере сгорания высокая, растворенный в топливе газ интенсивно выделяется в камере сгорания, распыляя топливо на очень мелкие частицы. При этом частицы распыленного топлива равномерно распределяются по объему камеры сгорания и фронт горения распространяется быстрее. Из-за очень малого размера частиц мелко распыленного топлива они сгорают еще до того, как достигают стенки камеры сгорания и поверхности поршня двигателя внутреннего сгорания, где иначе могла бы образоваться холодная пленка. Быстро и более эффективно сгорающее топливо увеличивает производимую энергию. Требуется меньше топлива для получения той же мощности.

Со ссылкой на Фиг. 2 более подробно показан другой вариант осуществления системы, которая содержит топливный бак 1, топливный фильтр 2, топливный насос 3 низкого давления для подачи жидкого топлива из топливного бака 1 по топливной линии 4 в, по меньшей мере, одну, установленную в емкости 6 для кондиционирования топлива, форсунку 5 для диспергирования топлива в этой емкости. Топливный насос 3 низкого давления обеспечивает давление топлива P₁. Уровень топлива в емкости 6 контролируется автоматическим датчиком 7 уровня кондиционированного топлива. Источник 9 сжатого газа (например, воздуха, углекислого газа, смеси газов и т.д.) соединяется газопроводом 10 с входным портом регулятора 11 давления, установленного в газопроводе 12 и поддерживающего в нем давление газа Р₂.

Давление газа Р₂ устанавливается ниже давления топлива P₁, создаваемого топливным насосом 3 низкого давления, на уровне, обеспечивающем удовлетворительную работу форсунки 5. Диспергирование топлива при его впрыске в емкость 6 приводит к растворению значительного количества газа в топливе. Газопровод 12 также соединяет выходной порт регулятора 11 давления с входным газовым портом емкости 6 для кондиционирования топлива, расположенным в верхней части этой емкости. Выходной порт, расположенный в нижней части емкости 6 для кондиционирования топлива, гидравлически соединен линией 13 с отдельными линиями 15 с блоками насос-форсунка, каждый из которых включает насос 14 высокого давления, обеспечивающий давление Р₃, превышающее давление Р₄ в камере сгорания, и электронно-управляемую форсунку 18, впрыскивающую кондиционированное топливо в камеру сгорания.

Предусмотрена система регулирования уровня топлива в емкости 6, включающая в себя автоматический датчик 7 уровня кондиционированного топлива, установленный в емкости 6 для обеспечения в ней почти постоянного уровня кондиционированного топлива и, таким образом, постоянных условий приготовления кондиционированного топлива.

Жидкое топливо закачивается топливным насосом низкого давления 3 в емкость для кондиционирования топлива 6. Топливо диспергируется в верхнюю часть емкости для кондиционирования 6, куда также по линиям 10 и 12 подается сжатый газ (например, воздух или углекислый газ) из резервуара сжатого газа 9 (в случае использования углекислого газа) или от воздушного компрессора (не показан). Давление газа Р₂ устанавливается ниже давления Р1, обеспечиваемого топливным насосом низкого давления 3 для создания удовлетворительных условий работы форсунки 5. Диспергирование жидкого топлива в верхнюю часть емкости 6, занятую газом, приводит к растворению определенного количества газа в распыленном жидком топливе. Количество растворенного газа особенно зависит от давления Р₂ в емкости 6 для кондиционирования топлива. Автоматический датчик 7 уровня кондиционированного топлива устанавливается в емкости для кондиционирования топлива 6 для обеспечения незначительных изменений объемов жидкости и газа, заполняющих эту емкость, что важно для обеспечения почти постоянных условий приготовления кондиционированного топлива.

Приготовленное кондиционированное топливо подается по линии 13, из которой по линиям 15 топливо поступает на блоки насос-форсунка, каждый из которых содержит отдельный топливный насос 14 высокого давления, где давление кондиционированного топлива повышается до уровня Р₃, превышающего давление Р₄ в камере сгорания двигателя (не показан), и топливную форсунку 18 с электронным управлением. Электронно-управляемые форсунки 18 впрыскивают точные порции кондиционированного топлива в точное время в камеры сгорания двигателя.

В связи с тем, что давление впрыскиваемого кондиционированного топлива выше давления в камере сгорания, а температура в камере сгорания высокая, растворенный в топливе газ интенсивно выделяется в камере сгорания, распыляя топливо на очень мелкие частицы. При этом частицы распыленного топлива равномерно распределяются по объему камеры сгорания и фронт горения распространяется быстрее. Из-за очень малого размера частиц мелко распыленного топлива они сгорают еще до того, как достигнут стенок камеры сгорания и поверхности поршня двигателя внутреннего сгорания, где иначе могла бы образоваться холодная пленка. Быстрое и более эффективно сгорающее топливо увеличивает отдаваемую энергию. Требуется меньше топлива для получения той же мощности.

Реферат

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ кондиционирования топлива подходит для системы "Common Rail" или системы с насосами-форсунками. Жидкое топливо кондиционируется для его более эффективного сгорания в камере сгорания. Система кондиционирования включает в себя емкость (6) с топливом для кондиционирования топлива, по меньшей мере, одну форсунку (5) для диспергирования топлива, установленную с возможностью выпуска топлива в емкость (6) для кондиционирования топлива, по меньшей мере, одно впускное отверстие (12) для газа и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (13) для кондиционированного топлива, расположенное в емкости. От источника (9) газа газ подается в емкость (6) для кондиционирования топлива, в которой газ растворяется в жидком топливе с образованием топливного раствора жидкость/газ. Топливный насос (3) низкого давления и линия (4) подачи жидкого топлива обеспечивают подачу жидкого топлива от бака (1) с топливом к, по меньшей мере, одной форсунке (5) для диспергирования топлива в емкости (6) под давлением Р, превышающим давление Ргаза. Из емкости (6) кондиционированное топливо подается по топливопроводам посредством ТНВД (14) в систему “Common Rail” или с помощью индивидуальных ТНВД к насосам-форсункам под давлением Р, превышающим давление Рв камере сгорания в момент сгорания. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула