Усовершенствования форсунки двигателя стирлинга - RU2224133C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к форсунке. Настоящее изобретение более конкретно касается форсунки, используемой в устройствах с теплообменом. В частности, она пригодна для использования в двигателе внешнего сгорания, который приводится в действие от источника тепла и не зависит от топлива.

В двигателе внешнего сгорания тепло, полученное при сгорании топлива в форсунке, подается через теплообменник к рабочему телу двигателя. Примером такого двигателя может быть двигатель с циклом Стирлинга.

Двигатель с циклом Стирлинга работает по замкнутому термодинамическому циклу, в котором одно количество газа неоднократно расширяется и сжимается. В отличие от двигателя внутреннего сгорания в нем отсутствуют клапаны, заборное и выхлопное отверстия, и нет сгорания в цилиндрах. Двигатель таким образом имеет очень низкий уровень шума на выходе и может быть динамически сбалансирован, что фактически приводит к отсутствию вибраций. Профилактических мер требуется немного, т.к. продукты сгорания отделены от работающих частей двигателя. Двигатель с циклом Стирлинга работает с нагреваемыми снаружи головками цилиндра. Форсунка в представленном изобретении применима, в частности, для обеспечения внешнего источника тепла.

Желательно, чтобы в форсунке двигателя с циклом Стирлинга можно было сжигать различные жидкие и газообразные виды топлива. Форсунка должна быть бесшумной при работе, иначе будет утеряно преимущество бесшумной работы двигателя. Также желательно, чтобы форсунка имела холодные наружные поверхности и была достаточно компактной для установки на головке цилиндра двигателя. Не говоря уже о том, что форсунка также должна быть эффективной.

Примеры таких форсунок описаны в патентах США 4352269 (Dineen), 5005349 (Momose) и 5590526 (Cho). В патентах Cho и Momose либо впускаемый воздух, либо выпускаемый воздух проходят через канал, что делает возможным теплообмен с камерой сгорания. Momose также допускает некоторый теплообмен между выхлопными газами и впускаемым воздухом, но только при однократном прохождении впускаемого воздуха после выпускаемого газа. Dineen предлагает форсунку с кольцевым теплообменником и кольцевую форсунку в двигателе Стирлинга. Выхлопное отверстие расположено в центре верхней части форсунки.

Однако эти три форсунки имеют ограниченную величину теплового взаимодействия между впускаемым воздухом и выхлопными газами, уменьшая эффективность теплообмена с форсункой. Также в форсунке Dineen наружные части форсунки будут горячими, поскольку они непосредственно контактируют с каналами прохождения выхлопных газов.

Кроме того, недостатком предложенных форсунок является сложность производства или конструирования данных форсунок.

Задачей настоящего изобретения является создание форсунки для двигателя внешнего сгорания, которая эффективно решает вопрос эффективного теплообмена. Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание форсунки, которая решает вопрос простоты изготовления.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание форсунки, которая соответствует или приближается к достижению всех или некоторых вышеуказанных требований или, по меньшей мере, дает возможность полезного выбора.

Дальнейшие аспекты и преимущества настоящего изобретения станут ясными из последующего описания, которое дано только на основе примера.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения создана форсунка для двигателя внешнего сгорания (Е), включающая наружный корпус, оболочку внутри наружного корпуса, причем при использовании оболочка образует, по меньшей мере, частично, центрально расположенную камеру сгорания (С), средство для впуска воздуха, из которого впускаемый воздух направляется по поверхности внутренней стенки корпуса для ее охлаждения, направляющие средства для направления впускаемого воздуха в камеру сгорания (С), при этом направляющие средства направляют впускаемый воздух так, что при использовании форсунки впускаемый воздух перед поступлением в камеру сгорания (С) охлаждает оболочку, средства теплообмена, в которых впускаемый воздух после охлаждения корпуса нагрет перед подачей к оболочке, устройство подачи топлива, подающее топливо в камеру сгорания (С), зажигатель для воспламенения топлива и средство для выпуска газов, в которой согласно изобретению наружный корпус, оболочка, средства теплообмена и направляющие средства образуют ряд вложенных каналов вокруг камеры сгорания (С), при этом размещение указанных каналов максимизирует теплообмен между выхлопными газами и впускаемым воздухом.

Средства теплообмена имеют впускное средство для приема выхлопных газов из камеры сгорания (С) и выпускное средство как часть средства выпуска газов.

Внешний корпус, кроме того, имеет юбку, отходящую вниз от широкого конца корпуса, причем юбка имеет приблизительно прямые стороны.

Перегородка, являющаяся частью направляющих средств, имеет профиль, дополняющий профиль наружного корпуса, при этом перегородка направляет впускаемый воздух вдоль поверхности внутренней стенки наружного корпуса. Кроме того, перегородка содержит удлинение в виде юбки, которая отходит вниз от широкого конца перегородки, причем указанная юбка имеет приблизительно прямые стороны, а нижний конец ее отделен пространством от нижнего конца юбки наружного корпуса.

Двигатель (Е) имеет один или более теплообменников, каждый расположен около цилиндра двигателя, причем каждый теплообменник имеет сопутствующие ребра для охлаждения, которые помещены в канал около соответствующих цилиндров; и камера сгорания (С) образована оболочкой с центральным отверстием в нем, и одним или каждым теплообменником, верхней частью картера двигателя (Е) и уплотнением между оболочкой и картером двигателя (Е). Средства теплообмена содержат канал для выхлопных газов, образованный двумя элементами, форма которых соответствует форме наружного корпуса, причем канал для выхлопных газов имеет удлиненные первую и вторую стенки, практически параллельные потоку выхлопных газов в первом направлении так, что впускаемый воздух проходит практически в указанном первом направлении, по линии, смежной с указанной первой стенкой канала, а затем проходит в направлении, практически противоположном первому направлению, по линии, смежной со второй стенкой канала. Два элемента скреплены друг с другом в соответствующих верхних концах; причем нижний конец внешнего элемента скреплен с нижним концом наружного корпуса.

Создана также форсунка для двигателя внешнего сгорания (Е), в которой: (а) наружный корпус имеет форму перевернутой чаши, цилиндрическую, с верхней частью в виде усеченного конуса и в которой впуск для воздуха и выпуск для выхлопа находятся у верхней части корпуса, и каналы внутри корпуса в разрезе имеют форму кольца; (b) направляющие средства содержат трубчатый элемент, который расположен между оболочкой и внутренним концом средства для впуска воздуха, причем указанный элемент расположен вокруг зажигателя и над камерой сгорания (С), элемент, кроме того, имеет перфорацию на своей поверхности, позволяющую воздуху проходить через оболочку, минуя зажигатель, и в камеру сгорания (С); (с) наружный корпус, оболочка, средство для впуска воздуха, направляющие средства и средство для выпуска газов все выполнены из металла или металлических сплавов; (d) оболочка и оболочка направляющих средств имеют большую толщину, чем наружный корпус и элементы для теплообмена; (е) топливо выбрано из группы, состоящей из дизеля, жидкого нефтяного газа, природного газа, каменноугольного газа, других видов газообразного и жидкого топлива; (f) форсунка также приспособлена для монтажа и смонтирована на двигателе внешнего сгорания (Е); (g) двигатель (Е) работает по циклу Стирлинга; (h) наружный корпус имеет центральное отверстие, в котором закреплены зажигатель и устройство подачи топлива; (i) зажигатель является либо искровым зажигателем, либо запальной свечой; (j) впускаемый воздух предварительно нагрет перед поступлением в средство для впуска воздуха.

Другие аспекты данного изобретения станут понятными из последующего описания, которое дается только на примерах и со ссылкой на приложенные чертежи, в которых:
фиг. 1 представляет собой вид в разрезе конструкции форсунки, предлагаемой в изобретении,
фиг.2 представляет собой вид сверху конструкции форсунки, предлагаемой в изобретении.

На фиг. 1 показана форсунка 10 двигателя Е с циклом Стирлинга. Форсунка 10 первоначально изготовлена из листовой стали. Как станет ясно из последующего описания, основные компоненты могут быть изготовлены при помощи известных технологий металлопроката.

И на фиг. 1, и на фиг.2 форсунка 10 имеет наиболее удаленный от центра или наружный корпус 11. Наружный корпус 11 в целом может быть описан как оболочка, практически в форме перевернутой чаши. На чертежах и в последующем описании "основание" перевернутой чаши является самой верхней частью, так что стороны наружного корпуса скошены кверху и внутрь.

Однако специалистам в данной области техники понятно, что форсунка 10 может быть сориентирована как угодно; описание основания корпуса 11 как самой верхней части, использованное здесь, приведено только для примера и для удобства описания элементов форсунки 10.

В корпусе 11 имеется центральное отверстие 12, которое имеет накладку 13 с центральным отверстием, в котором размещается соединительный конец зажигателя 15. Может быть использован прокладочный или уплотнительный элемент 15а для обеспечения уплотнения между отверстием 12 и зажигателем 15. Зажигатель 15 может быть любого смешанного типа, например зажигатель 15 может быть запальной свечой или искровым зажигателем, по желанию.

Отверстие в корпусе 11 представляет собой канал, который соединяется с нагнетателем (не показан) для подачи воздуха. В соответствии с предпочтительной формой изобретения воздух слегка нагрет при помощи, например, картера (не показан) двигателя Е, рядом с которым форсунка 10 размещена, в предпочтительной конструкции.

Юбка или удлинение 17 проходит вниз от нижнего конца 18 корпуса 11. Юбка 17 может быть любой формы, но предпочтительнее цилиндрической в поперечном сечении.

Внутри от поверхности внутренней стенки корпуса 11 и отходя вниз от самой верхней части корпуса 11, в которой имеется отверстие 12, расположена перегородка 19. Как и корпус 11, эта перегородка 19 представляет собой оболочку, по форме близкую к чаше. Как и корпус 11, перегородка 19 имеет удлинение, образованное юбкой 20, которое заканчивается выше нижнего края юбки 17. Юбка 20 также может быть любой формы, но предпочтительнее цилиндрической в поперечном сечении.

Наружный корпус 11 и соединенная с ним юбка 17 показаны на фиг.1 как две отдельные части. Однако специалистам ясно, что эти две части могут быть изготовлены целиком. Также и перегородка 19, и юбка 20 показаны на фиг.1 как две части, но могут быть изготовлены целиком, по желанию.

Форсунка 10 имеет внутренний кожух или оболочку 21, которая, как показано, размещена на горячем конце двигателя Е. Специалистам понятно, что горячий конец двигателя Е представлен только схематично, чтобы проиллюстрировать размещение и связь форсунки 10 с двигателем Е. Помимо наличия средств для размещения форсунки 10 на двигателе Е, внутренняя оболочка 21 образует совместно с верхней частью двигателя Е зону горения внутри камеры сгорания С.

Таким образом, камера сгорания образована и ограничена внутренней оболочкой 21 с центральным отверстием 22, через которое поступает горячий воздух и топливо, уплотнителем 99 и верхней частью двигателя Е с теплообменниками 36, каждый из которых снабжен ребрами 35 для охлаждения.

В оболочке 21 имеется центрально расположенное отверстие 22. Проходя вверх и по существу концентрично с отверстием 22, расположен трубчатый элемент 23. Верхний конец трубчатого элемента 23 снабжен или соединен с крепежным фланцем 24. Трубчатый элемент имеет перфорацию (не показано) по длине и по окружности. Таким образом трубчатый элемент 23 позволяет воздуху проходить через верхнюю часть оболочки 21 к центральному отверстию 22. Перфорация может представлять собой круглые отверстия, щели, жалюзи или их комбинацию, по желанию.

Второй трубчатый элемент 25а отходит вниз от крепежного фланца 24 и является по существу концентрическим с трубчатым элементом 23. Этот трубчатый элемент 25а оканчивается выше части внутренней оболочки 21.

Крепежный фланец 24 обеспечивает, посредством механических зажимов, соединение зажигательной системы G с устройством подачи топлива, в данном случае топливным инжектором 34. Зажигательная система G и топливный инжектор 34 помещаются в центральном отверстии 12 наружного корпуса 11. Зажигательная система G также включает в себя фланец, при помощи которого зажигательная система G прикреплена к крепежному фланцу 24.

Направляющие средства для направления впускаемого воздуха образованы перегородкой 19 и оболочкой 27. Верхняя часть второй перевернутой оболочки 27 проложена между фланцем зажигательной системы G и крепежным фланцем 24. Вторая перевернутая оболочка также имеет форму чаши. Как видно на фиг.1, эта вторая оболочка 27 проходит вниз в направлении первой внутренней оболочки 21, но заканчивается, не доходя до нее. Предпочтительно, чтобы толщина зазора между внутренними оболочками (21, 27) была больше, чем толщина других компонентов форсунки 10.

Средства теплообмена представляют собой выхлопную камеру 28, образованную выхлопными элементами (29, 30) по существу чашеобразной формы, расположенную между перегородкой 19 и второй внутренней оболочкой 27. Верхние концы выхлопных элементов (29, 30) соединены вместе, но не соединены ни с перегородкой 19, ни с наружным корпусом 11. Нижний конец выхлопного элемента 29 скреплен с нижним концом первой внутренней оболочки 21. Соответствующий нижний конец другого второго выхлопного элемента проходит вниз, по существу параллельно юбке 20. Этот нижний конец второго выхлопного элемента 30 располагается ниже конца юбки 20, отгибается в сторону юбки 17 и скреплен с концом юбки 17 и самым нижним концом второго выхлопного элемента 30.

Со вторым выхлопным элементом соединено средство для выпуска газов в виде выхлопного канала 31, который проходит через два отверстия (32, 33) в перегородке 19 и наружном корпусе 11 соответственно. Выхлопной канал 31 может иметь ребра (не показаны) для увеличения области передачи тепла в канале 31.

Элементы под общим названием "оболочки" (11, 19, 30, 29, 27, 21), которые составляют основные компоненты форсунки 10, соединены между собой нежестко. Отсутствие жесткости в соединении снижает термическое напряжение в материале оболочек (11, 19, 30, 29, 27, 21) и в форсунке 10 в целом, поскольку допускает термическое расширение в металле оболочки. Таким образом требуется минимальная сварка оболочек (11, 19, 30, 29, 27, 21), а та, которая требуется, является очень легкой.

Описанная выше форсунка 10 работает следующим образом: топливо из инжектора 34 движется под капиллярным действием по сети 25, размещенной на внутренней стенке второго трубчатого элемента 25а. Трубчатый элемент 25а нагрет поступающим нагретым воздушным потоком, проходящим вблизи наружной поверхности трубчатого элемента 25а. В результате этого испарившееся топливо поступает в зону горения в камере сгорания С.

Как показано пунктирными линиями, холодный воздух из нагнетателя поступает в наружный корпус через средство для впуска воздуха, образованное каналом 16, и проходит по внутренней стенке наружного корпуса 11. Этим достигается эффект охлаждения, так что наружная поверхность корпуса 11 остается холодной.

Затем воздух проходит по направляющей потока, образованной отделенными друг от друга внутренней перегородкой 19 и вторым выхлопным элементом 30 выхлопной камеры 28. Поток воздуха огибает конечную часть камеры 28 и движется далее по направляющей потока, образованной второй внутренней оболочкой 27 и первым выхлопным элементом 29 выхлопной камеры 26. Этот поток воздуха вблизи выхлопной камеры обеспечивает таким образом регенерацию тепла, в результате которой холодный впускаемый воздух 1 становится нагретым. Также охлаждаются выхлопные газы.

Нагретый впускаемый воздух проходит затем вблизи верхней части внутренней оболочки 21 для того, чтобы снизить температуру внутренней оболочки 21. Воздух еще нагревается, а оболочка охлаждается этим воздушным потоком. Вследствие этого внутренняя оболочка не будет перегреваться.

Нагретый воздух затем поступает в пространство, которое функционирует как пространство вихревого генератора, через отверстия в трубчатом элементе 23. В пространстве вихревого генератора создается вращающийся поток воздуха (между трубчатым элементом 23, вторым трубчатым элементом 25а и центральным отверстием 22). Турбулентный поток воздуха затем движется вниз через центральное отверстие 22 в камеру сгорания С. Турбулентность, возникшая в пространстве вихревого генератора, увеличивает скорость вращения по мере того, как воздух проходит через центральное отверстие 22. Это создает зону сильного завихрения в верхней части камеры сгорания С и обеспечивает хорошее горение, возникающее в зоне горения камеры сгорания С.

Поток горячих продуктов сгорания из зоны горения камеры сгорания С, как показано точечной линией на фиг.1, проходит вблизи ребер 35 горячих концевых частей каждого из теплообменников 36 двигателя Е. Впускное средство для приема выхлопных газов выполнено в виде кольцевого канала 37 и выхлопного отверстия 38. Продукты сгорания поступают в кольцевой канал 37 и выходят через выхлопное отверстие 38 в выхлопную камеру 28. Выхлопные газы проходят затем через выхлопной канал 31. Выхлопные газы могут быть регенерированы для последующего использования. Это могло бы быть, например, использование их для нагревания воды или пространства. В частности, это полезно в том случае, когда двигатель Е составляет часть замкнутой сопроизводящей системы. Специалистам будут очевидны и другие виды использования выхлопных газов.

Начальное испарение и воспламенение топлива осуществляются при помощи зажигателя известным способом. При возникновении горения в камере сгорания С постоянное пламя в зоне горения в камере сгорания образует источник тепла. Таким образом процесс горения оптимизирован и выделение загрязняющих веществ минимизировано.

В форсунке 10 может сжигаться топливо, выбранное из группы, состоящей из дизеля, сжиженного нефтяного газа, природного газа, и другие виды жидкого или газообразного топлива. При этом изменения в форсунке 10 минимальны или отсутствуют. Форсунка 10 в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает ряд преимуществ, делающих ее пригодной к использованию в двигателе с циклом Стирлинга.

Эти преимущества заключаются в следующем:
1. Возможность работать на различных видах жидкого и газообразного топлива, при этом изменения в форсунке 10 минимальны или отсутствуют.

2. Холодная наружная поверхность благодаря прохождению холодного впускаемого воздуха вблизи внутренней поверхности наружного корпуса 11. Это предотвращает нагрев областей, находящихся рядом с двигателем Е. Это также снижает риск ожога пользователей и, кроме того, повышает эффективность форсунки.

3. Конструкция форсунки 10 сокращает, а во многих случаях устраняет необходимость использования жаропрочной керамической изоляции на наружном корпусе 11 форсунки.

4. Обеспечение компактной зоны горения и эффективного прохождения продуктов сгорания вблизи горячей конечной части: теплообменника (теплообменников) 36 головки (головок) цилиндра.

5. Прохождение поступающего воздуха вблизи поверхностей выхлопных элементов (29, 30) выхлопной камеры обеспечивает улучшенную регенерацию тепла, повышая эффективность форсунки, и делает возможным испарение любых видов использованного топлива.

6. Форсунка 10 обеспечивает низкое сопротивление газового потока.

7. Форсунка 10 обеспечивает хорошую изоляцию между продуктами сгорания и верхней частью двигателя Е.

8. Форсунка 10 может обеспечить температуру горения около 1300^oС.

Установка форсунки 10, представленной в данном изобретении, не оказывает неблагоприятного влияния на характеристики бесшумной работы двигателя с циклом Стирлинга. Вибрации внутри форсунки 10 минимизированы благодаря конструкции, в которой отражающие оболочки (11, 19, 30, 29, 21, 21), направляющие поток, и выхлопная камера 28, имея определенные силовые характеристики чашеобразных оболочек, не все соединены между собой.

Такая конструкция также допускает приемлемое расширение оболочек (11, 19, 30, 29, 27, 21) без искривления, которое могло бы неблагоприятно повлиять на работу и эффективность форсунки 10. Формирование различных перегородок и оболочек (11, 19, 30, 29, 27, 21) из того, что по существу является множеством элементов чашеобразной формы (изготовленных известными способами производства), делает производство компонентов и сборку форсунки 10 несложным и нетрудоемким.

Аспекты данного изобретения были описаны только на примерах и следует оценить то, что модификации и дополнения могут быть сделаны без отклонений от его сути.

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внешнего сгорания. Изобретение позволяет упростить конструкцию, а также создать форсунку для двигателя внешнего сгорания, которая эффективно решает вопрос эффективного теплообмена. Форсунка для двигателя внешнего сгорания включает наружный корпус, оболочку внутри наружного корпуса. При использовании оболочка образует, по меньшей мере, частично, центрально расположенную камеру сгорания, средство для впуска воздуха, из которого впускаемый воздух направляется по поверхности внутренней стенки корпуса для ее охлаждения, направляющие средства для направления впускаемого воздуха - в камеру сгорания. Направляющие средства направляют впускаемый воздух так, что при использовании форсунки впускаемый воздух перед поступлением в камеру сгорания охлаждает оболочку. Форсунка включает также средства теплообмена, в которых впускаемый воздух после охлаждения корпуса нагрет перед подачей к оболочке, устройство подачи топлива, подающее топливо в камеру сгорания, зажигатель для воспламенения топлива и средство для выпуска газов. Наружный корпус, оболочка, средства теплообмена и направляющие средства образуют ряд вложенных каналов вокруг камеры сгорания. Размещение указанных каналов максимизирует теплообмен между выхлопными газами и впускаемым воздухом. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула