Двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом
DOUBLE-CIRCUIT FEED SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH GASEOUS FUEL

Изобретение относится к системам питания автомобильных двигателей внутреннего сгорания, использующих в качестве газового топлива компримированный природный газ, как разновидность компримированного горючего газа, и конвертированных из дизельных двигателей. Настоящая система подачи топлива в газовый ДВС может применяться для автотранспортных средств, сельскохозяйственных, дорожных машин, строительных транспортных средств и другой техники, предпочтительная область использования для двигателей большой мощности.
Известна двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом в виде компримированного горючего газа (КГГ), содержащая впускной коллектор с впускным патрубком и воздушным дросселем, топливный бак КГГ, редуктор-регулятор давления КГГ, причем первый контур, выполнен с возможностью централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор через газовый смеситель, и второй контур, выполнен с возможностью распределенной фазированной подачи на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС через рампу газовых форсунок (см. опубликованную международную заявку WO 2010070691 А1, заявители SOCOGES S.R.L, GALANTO, GIOVANNI, MARIA, опубл. 24.06.2010).
Система имеет сложное независимое регулирование подачи газа в каждый отдельный контур, при помощи которого сложно обеспечить адекватность подачи газа для создания оптимального соотношения газа и воздуха в смеси для работы двигателей большой мощности.
Известна двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом в виде компримированного горючего газа (КГГ), содержащая впускной коллектор с впускным патрубком и воздушным дросселем, топливный бак КГГ, редуктор-регулятор давления КГГ, переключатель управления подачи газового топлива, выполненный с возможностью подачи КГГ или в первый контур централизованной подачи КГГ, или второй контур распределенной фазированной подачи на впуск в отдельные цилиндры ДВС, или в оба контура одновременно, причем первый контур, выполнен с возможностью централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор через газовую форсунку, или во второй контур, выполненный с возможностью распределенной фазированной подачи газообразного КГГ на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС через рампу газовых форсунок низкого давления (см. патент США № US 7191768 В2, заявители ISUZU MOTORS LIMITED, ISUZA MOTORS LIMITED, опубл. 20.03.2007).
Система имеет сложное независимое регулирование подачи газа в каждый отдельный контур, при этом дополнительно подача топлива происходит обеспечения воспламенения непосредственно на впуск каждой камеры сгорания каждого цилиндра, подачу которого сложно обеспечить адекватной подачи горючего газа для создания оптимального соотношения газа и воздуха в смеси для нормальной работы двигателей большой мощности.
Известна двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания, конвертированного из дизельного двигателя, газообразным топливом в виде компримированного горючего газа (КГГ), содержащая впускной коллектор с впускным патрубком и воздушным дросселем, топливный бак КГГ, редуктор-регулятор давления КГГ, трехходовой переключатель подачи газового топлива, выполненный с возможностью подачи КГГ или в первый контур централизованной подачи КГГ, или второй контур распределенной фазированной подачи на впуск в отдельные цилиндры ДВС, или в оба контура одновременно, причем первый контур, выполнен с возможностью централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор через блок газовых форсунок и газовый смеситель, и второй контур, выполнен с возможностью распределенной фазированной подачи на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС через рампу газовых форсунок, (см. опубликованную заявку Италии IT FE 20130001 А1, заявители CASTELLANO ALESSANDRO, GAMBERINI LUIGI, PAVILCU CONSTANTIN EDYSON, PIAZZI OLIVER, опубл. 29.07.2014).
Система имеет после перехода на режим двигателя внутреннего сгорания, конвертированного из дизельного двигателя, независимое регулирование подачи газа в каждый отдельный контур, при помощи которого сложно обеспечить адекватность подачи газа для создания оптимального соотношения газа и воздуха в смеси для работы двигателей большой мощности на всех режимах работы двигателя.
Известна двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания, конвертированного из дизеля, газообразным топливом в виде компримированного горючего газа (КГГ), содержащая впускной коллектор с впускным патрубком и воздушным дросселем, топливный бак КГГ, редуктор-регулятор давления КГГ, выполненный с возможностью подачи КГГ в первый контур централизованной подачи КГГ, во второй контур распределенной фазированной подачи топлива на впуск в отдельные цилиндры ДВС, или в оба контура одновременно, причем первый контур, выполнен с возможностью централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор через блок газовых форсунок и газовый смеситель, и второй контур выполнен с возможностью распределенной фазированной подачи топлива в каждый отдельный цилиндр ДВС через рампу форсунок (см. опубликованную заявку США № US 2012004824 А1, заявители MILTON TREVOR ROBERT, SHROUT MICHAEL DAVID, опубл. 05.01.2012).
Система имеет сложное независимое регулирование подачи газа в отдельный первый контур, при этом дополнительно подача топлива для обеспечения воспламенения происходит при помощи подачи топлива непосредственно перед камерой сгорания каждого цилиндра, подачу которого сложно обеспечить адекватной подачи горючего газа для создания оптимального соотношения газа и воздуха в смеси для нормальной работы двигателей большой мощности. При этом создание газовый смесителей на основе сопла Вентури не позволяет однозначно утверждать, что смесь газа и воздуха будет гомогенной и равномерно буде распределена по цилиндрам.
Известна двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом в виде компримированного горючего газа (КГГ), содержащая впускной коллектор с впускным патрубком и воздушным дросселем, топливный бак КГГ, редуктор-регулятор давления КГГ, трехходовой переключатель подачи газового топлива, выполненный с возможностью подачи КГГ или в первый контур централизованной подачи КГГ, или второй контур распределенной фазированной подачи на впуск в отдельные цилиндры ДВС, или в оба контура одновременно, причем первый контур, выполнен с возможностью централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор через блок газовых форсунок и газовый смеситель, и второй контур, выполнен с возможностью распределенной фазированной подачи на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС через рампу газовых жидкостных форсунок (см. патент США № US 6953029 В2, заявители GET GAS ENGINE TECHNOLOGY B.V., опубл. 11.10.2005).
Система имеет сложное независимое регулирование подачи жидкого газа в каждый отдельный контур, причем подача газа в первый контур путем его газификации подогревом, при помощи которого сложно обеспечить адекватность подачи газа для создания оптимального соотношения газа и воздуха в смеси для работы двигателей большой мощности.
Известна двухконтурная система питания газообразным топливом в виде компримированного горючего газа (КГГ) двигателя внутреннего сгорания, конвертированного из дизельного двигателя, содержащая впускной коллектор с впускным патрубком и воздушным дросселем, топливный бак КГГ, редуктор-регулятор давления КГГ, переключатель подачи газового топлива, выполненный с возможностью подачи КГГ или в первый контур централизованной подачи КГГ, или во второй контур распределенной фазированной подачи на впуск в отдельные цилиндры ДВС, или в оба контура одновременно, причем первый контур, выполнен с возможностью централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор через блок газовых форсунок и газовый смеситель, и второй контур, выполнен с возможностью распределенной фазированной подачи на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС через рампу газовых форсунок (см. патент США № US 6816773 В2, заявитель VOLVO LASTVAGNAR АВ, опубл. 09.11.2004).
Система имеет сложное независимое регулирование подачи газа в каждый отдельный контур, причем подача газа в первый контур происходит путем его газификации, при помощи которого сложно обеспечить адекватность подачи и смешения газа для создания оптимального соотношения газа и воздуха в смеси для работы двигателей большой мощности, по этой причине система имеет две области работы, первую обогащенную газом и вторую, с оптимальным соотношение топливный газ воздух.
Известна двухконтурная газовая система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом в виде компримированного горючего газа (КГГ), содержащая впускной коллектор с впускным патрубком и воздушным дросселем, топливный бак КГГ, редуктор-регулятор давления КГГ, трехходовой переключатель подачи газового топлива, выполненный с возможностью подачи КГГ или в первый контур централизованной подачи КГГ, или второй контур распределенной фазированной подачи на впуск в отдельные цилиндры ДВС, или в оба контура одновременно, причем первый контур, выполнен с возможностью централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор через блок газовых форсунок и газовый смеситель, и второй контур, выполнен с возможностью распределенной фазированной подачи на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС через рампу газовых форсунок (см. патент РФ № RU 2674840 С2, заявитель ФОРД ГЛОУБАЛ ТЕКНОЛОДЖИЗ, ЭлЭлСи, опубл. 13.12.2018).
Система имеет сложное независимое регулирование подачи газа в каждый отдельный контур, причем подача газа в каждый отдельный контур происходит путем регулирования ее трехходовым краном, при помощи которого сложно обеспечить адекватность подачи газа для создания оптимального соотношения газа и воздуха в рабочей смеси для работы двигателей большой мощности, на что указывает и с чем борется заявитель.
Известна двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом в виде компримированного горючего газа (КГГ), содержащая впускной коллектор с впускным патрубком и воздушным дросселем, топливный бак КГГ, редуктор-регулятор давления КГГ, переключатель подачи газового топлива, выполненный с возможностью подачи КГГ или в первый контур централизованной подачи КГГ, или второй контур распределенной фазированной подачи на впуск в отдельные цилиндры ДВС, или в оба контура одновременно, причем первый контур, выполнен с возможностью централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор через блок газовых форсунок и газовый смеситель, и второй контур, выполнен с возможностью распределенной фазированной подачи на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС через рампу газовых форсунок (см. патент РФ № RU 2424440 C1, заявитель МИЦУБИСИ ХЕВИ ИНДАСТРИЗ ЭНДЖИН & ТУРБОЧАРДЖЕР, ЛТД, опубл. 20.07.2011).
Система имеет сложное независимое регулирование подачи газа в каждый отдельный контур, причем подача газа в первый контур происходит путем регулирования ее двухходовым краном, а во второй другим краном, при помощи которых сложно обеспечить адекватность подачи газа для создания оптимального соотношения газа и воздуха в смеси для работы двигателей большой мощности.
Известна двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом в виде компримированного горючего газа (КГГ), содержащая соответственно последовательно сообщенные впускной коллектор 6 с впускным патрубком 3 и воздушным дросселем 14, топливный бак 17 КГГ с магистралью 18 подачи газа, редуктором-регулятором 22 давления КГГ, переключатель подачи газового топлива, выполненный с возможностью подачи КГГ или в первый контур централизованной подачи газифицированного ГГ через распределительный клапан 36, или во второй контур 19 распределенной фазированной подачи на впуск в отдельные цилиндры ДВС, или в оба контура одновременно, причем первый контур, выполнен с возможностью централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор 6 через блок газовой форсунки 34 и газовый смеситель 5, которые расположены в задроссельном пространстве и сообщены с ним и с до дроссельным пространством перепускным каналом 15, который выполнен с возможностью регулирования расхода воздуха 16, проходящего через него, а второй контур выполнен с возможностью распределенной фазированной подачи КГГ на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС через рампу 20 газовых форсунок (см. опубликованную международную заявку WO 2011145603 А1, заявители SUZUKI MOTOR CORPORATION, TANAKA, MASAHIDE, опубл. 24.11.2011). В тексте абзаца указаны оригинальные позиции элементов из описания прототипа WO 2011145603.
Известная система имеет сложное независимое регулирование подачи газа в каждый отдельный контур, причем подача газа в первый контур происходит путем его газификации и подачи сразу за дроссель, а газовое топливо подается через рампу газовых форсунок на впуск каждого цилиндра, при этом происходит сложный процесс распределения газифицированного топлива по впускному коллектору и его неравномерного перераспределения на впуск каждого отдельного цилиндра, при помощи которого сложно обеспечить адекватность подачи газа для создания оптимального соотношения горючего газа и воздуха в смеси в каждом цилиндре для работы двигателей большой мощности, так как и газообразное и газифицированное топливо подается во впускной коллектор, но распределяется по нему не равномерно.
Известная система имеет наибольшее число совпадающих или эквивалентных признаков и по этой причине заявитель принимает ее в качестве прототипа.
Следует отметить, что известные системы не решают основную проблему ДВС, работающих на газе, а именно неравномерное распределение газа в массе рабочего тела и соответственно по цилиндрам, происходящее вследствие малого времени, отпущенного для диффузии и смешивания газа с воздухом, и отсутствия высокоэффективных средств принудительного их перемешивания. Все эти средства в известных системах, такой как в прототипе, а также в каких как в аналогах, описаны кратко и невнятно.
Основной проблемой ДВС, работающих на газе, является то, что в процессе обычного смесеобразования создается не равномерность распределения газа по объему впускного патрубка, соответственно по отдельным цилиндрам, а также по объему каждого рабочего цилиндра, так как хорошей, равномерной гомогенизации газовоздушной смеси невозможно достичь без высоко эффективного перемешивания двух газов, что можно достичь или их высокоинтенсивной турбулизацией, которая требует больших аэродинамических сопротивлений от завихрителей-турбулизаторов, или большим временем их смешивания при естественной диффузии и пристеночной турбулизации. И при этом только широкий диапазон концентраций воспламеняемости газовоздушной смеси позволяет обеспечить ее эффективное сгорание, но снижает экологичность из-за неполного сгорания при высокой местной концентрации КГГ или плохой воспламеняемости при низкой концентрации КГГ.
Также неравномерное распределение газа по объему каждого рабочего цилиндра будет происходить при по цилиндровом впрыске жидкого газа или при подаче газообразного КГГ в каждый цилиндр через рампу газовых форсунок. Особенно эта неравномерность будет получаться при больших расходах рабочего тела на полном дросселе, так как при этом не будет хватать времени на турбулизацию и внутрицилиндровое перемешивание газовоздушной смеси.
Технической задачей предполагаемого изобретения является повышение эффективности двухконтурной системы питания двигателя внутреннего сгорания, конвертированного из дизеля, газообразным топливом в виде компримированного горючего газа, путем хорошей гомогенизации и обеспечения хорошей воспламеняемости на всех стационарных режимах, а также при резком изменении режима работы газового ДВС.
Основной особенностью режимов достижения технических результатов предложения является высоко гомогенное перемешивание газа и воздуха при любом их взаимном массовом соотношении.
Техническая задача решается тем, что двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом в виде компримированного горючего газа (КГГ), содержащая соответственно последовательно сообщенные впускной коллектор с впускным патрубком и воздушным дросселем, топливный бак КГГ с магистралью подачи газа, редуктор-регулятор давления КГГ, переключатель подачи газового топлива, выполненный с возможностью подачи КГГ или в первый контур централизованной подачи КГГ, или второй контур распределенной фазированной подачи на впуск в отдельные цилиндры ДВС, или в оба контура одновременно, причем первый контур, выполнен с возможностью централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор через блок газовой форсунки и газовый смеситель, которые расположены в задроссельном пространстве, сообщены с ним и с додроссельным пространством перепускным каналом, который выполнен с возможностью регулирования расхода воздуха, проходящего через него, а второй контур, выполнен с возможностью распределенной фазированной подачи КГГ на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС через рампу газовых форсунок, причем топливный бак КГГ сообщен магистралью подачи газа с переключателем подачи газового топлива, который выполненный трехходовым с возможностью периодического сообщения соответственно через блок газовых форсунок - с газовым смесителем первого контура централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор и через перепускной канал - с додроссельным пространством впускного патрубка, а через рампу газовых форсунок – с каждым отдельным цилиндром второго контура распределенной фазированной подачи КГГ на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС, или в оба контура одновременно, а газовый смеситель при этом выполнен в виде, по меньшей мере, двух рядов завихрителей, расположенных взаимно эквидистантно и выполненных с возможностью разнонаправленной закрутки потоков в каждом из рядов и при этом завихрители в соседних рядах расположены в шахматном порядке, а закрутка газа первого ряда выполнена правой, а второго - левой, или наоборот, причем завихрители в соседних рядах выполнены с возможностью разнонаправленной закрутки в шахматном порядке.
Это позволяет при любых расходах КГГ и воздуха и любых их соотношениях в пределах воспламеняемости их смеси эффективно смешивать газ с воздухом и обеспечивать его стабильное воспламенение и высокоэффективное сгорание. Это достигается путем создания зоны организованного пристеночного вихревого смешивания, в которой с помощью рядов завихрителей создается первичное поле шнуроподобных вихрей, движущихся около стенки впускного канала и перекатывающихся по ее поверхности, а шнуроподобные вихри второго ряда завихрителей создают вторичное поле, в котором указанные вихри катаются по вихрям первого, так как имеют разнонаправленную закрутку, и так далее в каждом последующем ряду завихрителей относительно предидущих. Это приводит к устойчивому полю смешения газа с воздухом, так как два соседних поля шнуроподобных вихрей, состоящих из газа, за счет взаимодействия разнонаправленных вихрей в рядах и подсасывания ими в межвихревое пространство воздуха постоянно смешивают газ с обтекающим их воздухом. При дальнейшем движении шнуроподобных вихрей по впускному коллектору, после их выхода из впускного патрубка и перехода в следующие разветвления коллектора на патрубки подвода рабочего тела в цилиндры, они разрушаются, обеспечивая дополнительную турбулизацию потока и перемешивание газа из вихрей с остальным воздухом во впускном коллекторе. Это намного эффективнеее, чем низко эффективное смешивание за счет случайно образующихся во впускном канале местных вихрей и пристеночной местной турбулизации или за счет специальной организации известными средствами интенсивного турбулентного перемешивания, при котором эффективная турбулизация требует больших затрат энергии на ее организацию и создает большое аэрогидравлическое сопротивление движению воздуха и рабочей смеси.
Для улучшения смешивания газа и воздуха, образующих рабочее тело, при больших расходах рабочего тела или при большой скорости его движения во впускном канале, то есть при работе ДВС на режимах большой мощности и/или при большой частоте вращения при работе на повышенных оборотах, при которых сокращается время движения и смесеобразования в рабочем теле оптимальной по составу рабочей смеси, возможно организовать регулируемую подачу воздуха в газовую магистраль после блока газовых форсунок.
1
1
Если газовый смеситель выполнен с линейным расположением завихрителей каждого ряда, то это наиболее простое его исполнение, которое может быть с расположением завихрителей взаимно эквидистантно, а рядов их осей поперек впускного канала или вдоль его оси (см. Фиг. 2). Оба указанные расположения рядов завихрителей приведут к хорошему смесеобразованию, но наиболее эффективным будет при их расположении поперек впускного канала в шахматном порядке или в промежуточном положении под наклоном к оси впускного канала, то есть по винтовой или (коноидной) ( КОНОИД а, м.  m. <гр. konoeidos конусообразный, геом. Поверхность, описанная прямой линией, движущаяся параллельно заданной плоскости и пересекающей заданную линию.) поверхности. При этом следует отметить, что такое расположение завихрителей можно изготовить на любом двигателе. Очевидно, что газовый канал газового смесителя может быть собран из отдельных газовых каналов завихрителей или расположен на впускном коллекторе.
Если газовый смеситель выполнен с кольцевым расположением завихрителей, то его такое исполнение также может быть выполнено на участке единого общего участка впускного канала ДВС при конвертировании его из дизельного двигательного цикла в газовый ДВС обычными средствами механизации ремонтного участка автотранспортного предприятия, но при этом ограничен по месту исполнения участок его расположения.
Если газовый смеситель выполнен с кольцеобразным конусно-наклонным расположением осей завихрителей по периметру впускного патрубка, то такое расположение завихрителей требует специально изготовленного впускного коллектора. Высокая эффективность газовый смесителя позволяет расположить не только на впускном патрубке, но и на его отдельных ответвлениях - воздуховодах, подводящих КГГ и воздух к отдельному цилиндру. При этом следует отметить конусное расположение осей завихрителей предполагает, что эти оси должны сходиться в одной точке, т.е. в вершине конуса, под наклоном к поверхности впускного патрубка или его ответвлений вне зависимости от формы поперечного сечения соответствующего впускного патрубка или его ответвления. При таком расположении осей шнуроподобные вихри будут направлены к оси впускного канала и будут охватывать наибольшую часть поперечного сечения впускного канала, но при этом будут взаимодействовать между собой вследствие их встречного движения, сходящегося к оси впускного канала, и с потоком воздуха, что может приводить к относительно быстрому их разрушению и системность взаимодействия вихрей будет соответственно нарушаться.
Если газовый смеситель выполнен с кольцеобразным конусно-тангенциально-наклонным расположением завихрителей по периметру впускного канала, то оси завихрителей располагаются по касательной к конусной поверхности по пред идущей конструкции, а конусная поверхность может быть не только в виде круга, но с любой направляющей, по которой движется образующая, например, соответствующей направляющей в виде сечения впускного канала произвольной формы. Сами оси всех завихрителей между собой будут скрещивающимися прямыми. При таком расположении осей шнуроподобные вихри будут направлены тангенциально к оси впускного канала, то есть относительно оси впускного канала будут скрещивающимися прямыми и будут охватывать большую часть поперечного сечения впускного канала, при этом шнуроподобные вихри будут меньше между собой хаотически взаимодействовать, вследствие чего меньше будут разрушать общую структуру движения, и как следствие этого будут дольше существовать и выполнять свои функции по перемешиванию КГГ и воздуха по их периферии, при этом состав рабочей смеси будет более однородным и гомогенным и соответственно распределение КГГ по цилиндрам также будет более равномерным, так как шнуроподобные вихри будут дольше существовать и более равномерно распределять КГГ по цилиндрам вплоть до впускного клапана отдельного цилиндра. Особенно это будет эффективно при предварительном закручивании поток воздуха в направлении винтовой линии, совпадающем с направлением тангенциального расположения осей завихрителей.
Если газовый смеситель выполнен кольцевым, а оси завихрителей расположены по одно направленным образующим однополостного гиперболоида, при этом следует отметить, что это расположение преимущественно должно использоваться для круглых впускных каналов и соответствующих им патрубков, потому что однополостный гиперболоид по существу является телом вращения, то в потоке расположение осей шнуроподобных вихрей будет направлено одинаково, то есть под одинаковым углом тангенциально к радиальной проекции оси впускного канала, то есть оси завихрителей относительно оси впускного канала будут скрещивающимися прямыми, расположены центрально симметрично относительно оси впускного канала и будут охватывать большую часть поперечного сечения впускного канала, вначале сближаясь между собой, а после минимального сечения однополостного гиперболоида наоборот расходиться при этом шнуроподобные вихри будут меньше между собой хаотически взаимодействовать, а симметричное расположение разнонаправленного вращения шнуроподобных вихрей должно привести к их эффективному массообмену по периферии каждого шнура шнуроподобных вихрей, вследствие чего меньше будут разрушать общую структуру движения, но переменное сближение-удаление должно повысить эффект перемешивания, и как следствие этого будут дольше существовать и выполнять свои функции по перемешиванию КГГ и воздуха по их периферии, при этом состав рабочей смеси будет более однородным и гомогенным и соответственно распределение КГГ по цилиндрам также будет более равномерным, так как шнуроподобные вихри будут дольше существовать и более равномерно распределять КГГ по цилиндрам вплоть до впускного клапана отдельного цилиндра. При этом следует разъяснить, что возможны по меньшей мере два варианта расположения и формы однополостных гиперболоидов от двух рядов завихрителей, а именно когда ряды имеют одинаковый наклон к оси впускного канала, но смещены вдоль нее, и второй будут составлять два соосных гиперболоида с общей плоскость минимального сечения, но расположены на разном минимальном расстоянии от оси впускного канала. При этом в первом случае минимальные сечения этих двух гиперболоидов также будет смещены и соответственно будет увеличено взаимодействие составляющих их шнуроподобных вихрей на пространстве между минимальными сечениями и после них, уже на стадии расширения поверхностей указанных гиперболоидов, что должно приводить к усилению процесса перемешивания и возможности разрушения шнуроподобных вихрей. При этом во втором случае максимальное взаимодействие будет в плоскости расположения минимальных сечений, но взаимодействие будет меньше чем в первом случае, но интенсивность перемешивания и устойчивость шнуроподобных вихрей будет выше из-за ускорения их вращения вследствие организованного совместного сжатия (сближения) осей двух рядов шнуроподобных вихрей.
Как известно из геометрии, однополостный гиперболоид может быть образован путем вращения двух видов прямых, имеющих одинаковый угол наклона относительно оси впускного канала, но разное направление относительно винтовых линий, соответственно правого и левого вращения. (см. например, московскую телебашню Шухова, составленную из однополостных гиперболоидов).
Если газовый смеситель выполнен кольцевым, а оси завихрителей расположены по одно направленным образующим однополостного гиперболоида по правой винтовой линии при закрутке воздуха также по правой винтовой линии создает условия ускоренного движения воздуха и газа по впускному каналу и уменьшению аэродинамического сопротивления их движению в нем.
Если газовый смеситель выполнен кольцевым, а оси завихрителей расположены по одно направленным образующим однополостного гиперболоида по левой винтовой линии при закрутке воздуха по правой винтовой линии создает условия ускоренного относительного движения воздуха относительно шнуроподобных вихрей горючего газа, повышенной турбулизации воздуха и газа при их движении по впускному каналу и способствует интенсификации процесса перемешивания, гомогенизации рабочей смеси и увеличения аэродинамического сопротивления их движению во впускном канале.
Предложенная конструкция поясняется чертежами.
На Фиг. 1 показана общая схема двух контурной системы питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом.
На Фиг. 2 показана конструкция газового смесителя из, по меньшей мере, двух рядов завихрителей с их поперечным расположением к оси впускного патрубка.
На Фиг. 3 показана конструкция продольного сечения газового смесителя с расположением осей двух эквидистантных рядов завихрителей по образующим, одно направленным по конической поверхности
На Фиг. 4 показана конструкция поперечного сечения газового смесителя и вид со стороны до дроссельного пространства с расположением осей завихрителей одного ряда по одно направленным образующим однополостного гиперболоида по правой винтовой линии.
На Фиг. 5 показана конструкция поперечного сечения газового смесителя и вид со стороны до дроссельного пространства с расположением осей двух рядов завихрителей в шахматном порядке по одно направленным одинаковым образующим однополостного гиперболоида по левой винтовой линии.
Двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом в виде компримированного горючего газа (КГГ), содержит (см. Фиг. 1) соответственно последовательно сообщенные впускной коллектор К (показанный условно) с впускным патрубком 1 и воздушным дросселем 2, топливный бак 3 КГГ с магистралью подачи газа 4 и редуктором-регулятором 5 давления КГГ, переключатель 6 подачи газового топлива, выполненный с возможностью подачи КГГ или в первый контур 7 централизованной подачи КГГ, или второй контур 8 распределенной фазированной подачи на впуск в отдельные цилиндры ДВС, или в оба контура одновременно, причем первый контур 7, выполнен с возможностью централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор через блок 9 газовой форсунки 10 и газовый смеситель 11, которые расположены в задроссельном пространстве 12 и сообщены с ним и с додроссельным пространством 13 перепускным каналом 14 (показанным условно), который выполнен с возможностью регулирования расхода воздуха, проходящего через него, а второй контур 8, выполнен с возможностью распределенной фазированной подачи КГГ на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС через рампу 15 газовых форсунок 16, причем топливный бак 3 КГГ сообщен магистралью 4 подачи газа с переключателем 6 подачи газового топлива, который выполнен трехходовым с возможностью периодического сообщения соответственно через блок 9 газовых форсунок 10 - с газовым смесителем 11 первого контура централизованной регулируемой подачи КГГ во впускной коллектор К и через перепускной канал 14 - с додроссельным пространством 13 впускного патрубка 1, а через рампу 15 газовых форсунок 16 – с каждым отдельным цилиндром второго контура 8 распределенной фазированной подачи КГГ на впуск в каждый отдельный цилиндр 17 ДВС, или в оба контура одновременно, а газовый смеситель 11 при этом выполнен в виде, по меньшей мере, двух рядов 18 и 19 завихрителей 20, расположенных взаимно эквидистантно и выполненных с возможностью разнонаправленной закрутки потоков в каждом из рядов, и при этом завихрители 20 в соседних рядах 18 и 19 расположены в шахматном порядке, а закрутка газа первого ряда 18 выполнена правой, а второго 19 - левой, или наоборот, причем завихрители 20 в соседних рядах выполнены с возможностью разнонаправленной закрутки в шахматном порядке. (см. Фиг. 2)
Газовый смеситель может быть выполнен, по меньшей мере, в виде двух соседних рядов 18 и 19 с линейным расположением завихрителей 20 каждого ряда 18 или 19 взаимно эквидистантно, которое может быть, например, с расположением рядов завихрителей поперек оси (условно показанной штрих-пунктирной линией) впускного патрубка 1 см. (Фиг 2) или вдоль его оси. Оба указанные расположения рядов завихрителей приведут к хорошему смесеобразованию, но наиболее эффективным будет их работа при их расположении поперек впускного канала в шахматном порядке или в промежуточном положении под наклоном к оси впускного канала, то есть по винтовой линии. При этом следует отметить, что такое расположение завихрителей можно изготовить на любом двигателе при помощи общепромышленного или ремонтного оборудования силами ремонтных подразделений автотранспортных предприятий или организаций, эксплуатирующих газовые ДВС, конвертируемые из дизелей. Очевидно, что газовый канал или коллектор газового смесителя 11 может быть собран из отдельных газовых каналов завихрителей 20 или иметь общий газовый подводящий коллектор, расположенный на впускном патрубке 1 коллектора К. Сами завихрители 20 могут быть выполнены разных видов, например, в виде лопаточных или динамических, т.е. с тангенциальным подводом газа, конструкций. Далее завихрители показаны условно.
Газовый смеситель может быть выполнен с кольцевым расположением завихрителей и применен при конвертировании его из дизельного двигательного цикла в газовый ДВС обычными силами и средствами ручной механизации ремонтного участка автотранспортного предприятия, такое его исполнение также может быть выполнено на участке общей части единого впускного цилиндрического патрубка ДВС, но при этом участок его исполнения ограничен средствами и возможностями по месту расположения завихрителей во впускном цилиндрическом впускном патрубке (см. Фиг. 3), а выполнение его в каждом ответвлении коллектора не целесообразно, так как усложнит его конструкцию.
Газовый смеситель может быть выполнен с кольцеобразным конусно-наклонным расположением осей завихрителей по периметру впускного патрубка, и такое расположение завихрителей требует специально изготовленного впускного коллектора. Высокая эффективность газовый смесителя позволяет расположить не только на впускном патрубке, но и на его отдельных ответвлениях - воздуховодах, подводящих КГГ и воздух к отдельному цилиндру. Термин кольцеобразный подразумевает значение вида конструкции газового смесителя, при которой стенка впускного патрубка бывает замкнутой, а форма стенки которого может быть практически любой, начиная от кольца, до прямоугольника или трапеции со скругленными углами. При этом следует отметить конусное расположение осей завихрителей предполагает, что эти оси должны сходиться в одной точке, т.е. в вершине конуса общего вида, расположенного, например, на оси впускного канала соответствующей части коллектора под наклоном к поверхности впускного патрубка или его ответвлений вне зависимости от формы поперечного сечения соответствующего впускного патрубка или его ответвления. При таком расположении осей шнуроподобные вихри, создаваемые завихрителями, будут направлены к оси впускного канала и будут охватывать наибольшую часть поперечного сечения впускного канала, но при этом они будут взаимодействовать между собой вследствие их встречного движения, сходящегося к оси впускного канала, и хаотичным разрушаться при их движении в потоке воздуха во впускном патрубке, что может приводить к относительно быстрому их разрушению и нарушению системности взаимодействия вихрей между собой. В связи ограниченными средствами и изобразительными возможностями у авторов такое изображение не приводится.
Газовый смеситель может быть выполнен с кольцеобразным конусно-тангенциально-наклонным расположением завихрителей по периметру впускного канала, то есть когда ось каждого завихрителя может располагаться по свободно расположенной касательной к конусной поверхности по предидущей конструкции, а конусная поверхность может быть с любой направляющей, например, квадратной со скругленными углами, по которой движется образующая оси завихрителя. Сами оси всех завихрителей между собой будут скрещивающимися прямыми. При таком расположении осей шнуроподобные вихри будут направлены тангенциально к оси впускного канала, то есть относительно оси впускного канала будут скрещивающимися прямыми и будут охватывать большую часть поперечного сечения впускного канала, при этом шнуроподобные вихри будут меньше между собой хаотически взаимодействовать, вследствие чего меньше будут разрушать общую структуру движения, и как следствие этого будут дольше существовать и выполнять свои функции по перемешиванию КГГ и воздуха по их периферии, при этом состав рабочей смеси будет более однородным и гомогенным и соответственно распределение КГГ по цилиндрам также будет более равномерным, так как шнуроподобные вихри будут дольше существовать и более равномерно распределять КГГ по цилиндрам вплоть до впускного клапана отдельного цилиндра. Особенно это будет эффективно при предварительном закручивании поток воздуха в направлении винтовой линии, совпадающей с направлением тангенциального расположения осей завихрителей.
Газовый смеситель 11 может быть выполнен круглым на круглом впускном патрубке 1 с кольцевым размещением завихрителей, то есть когда оси завихрителей 20 расположены по одно направленным образующим однополостного гиперболоида, при этом следует отметить, что это расположение преимущественно должно использоваться для круглых впускных каналов и соответствующих им впускных патрубков 1 (см. Фиг. 4), потому что однополостный гиперболоид по существу является телом вращения, а в потоке расположение осей шнуроподобных вихрей будет направлено под одинаковым углом тангенциально к радиальной проекции оси впускного канала, то есть оси завихрителей относительно оси впускного канала будут скрещивающимися прямыми, расположены центрально симметрично относительно оси впускного канала и будут охватывать большую часть поперечного сечения впускного канала, вначале сближаясь между собой, а после минимального сечения однополостного гиперболоида наоборот расходиться при этом шнуроподобные вихри будут меньше между собой хаотически взаимодействовать, то есть их взаимодействие будет иметь системный характер, а симметричное расположение и разнонаправленного вращения шнуроподобных вихрей должно привести к их эффективному массообмену по периферии каждого шнура шнуроподобных вихрей, вследствие чего меньше будут разрушать общую структуру движения, но переменное сближение-удаление и изменение объема за счет сжатия-расширения вихрей при сближающимся-удаляющемся движении, занимаемого каждым отдельным шнуроподобным вихрем должно повысить эффект перемешивания до полного расширения газа в нем и распадения вихря при дальнейшем движении по ответвлениям впускного коллектора, выполненным в виде отдельных впускных патрубков подводящих рабочую смесь к каждому отдельному цилиндру, и как следствие этого вихри будут дольше существовать и выполнять свои функции по перемешиванию КГГ и воздуха по их периферии, при этом состав рабочей смеси будет более однородным и гомогенным и соответственно распределение КГГ по цилиндрам также будет более равномерным, так как шнуроподобные вихри будут дольше существовать и более равномерно распределять КГГ по цилиндрам возможно вплоть до впускного клапана отдельного цилиндра, периодически перераспределяясь при открытии соответствующего впускного клапана отдельного цилиндра в соответствии с порядком работы ДВС.
При этом следует разъяснить, что возможны по меньшей мере два варианта взаимного расположения и формы однополостных гиперболоидов, составляющих из осей двух рядов завихрителей, а именно, первый, когда оси в рядах имеют одинаковый наклон к оси впускного канала, но смещены вдоль нее, то есть представляют собой два одинаковых по форме однополостных гиперболоида, минимальное сечение которых одинаково, но смещено вдоль оси впускного канала, и второй когда оси завихрителей составляют два соосных гиперболоида с общей плоскостью различных по размеру минимальных сечений, и соответственно оси которых расположены на разном минимальном расстоянии от оси впускного канала. При этом в первом случае минимальные сечения этих двух гиперболоидов также будет смещены и соответственно будет увеличено взаимодействие составляющих их шнуроподобных вихрей на пространстве между минимальными сечениями и после них, уже на стадии расширения поверхностей указанных гиперболоидов, что должно приводить к усилению процесса перемешивания и возможности разрушения шнуроподобных вихрей. При этом во втором случае максимальное взаимодействие будет в плоскости расположения минимальных сечений, но взаимодействие будет меньше чем в первом случае, но интенсивность перемешивания и устойчивость шнуроподобных вихрей будет выше из-за синхронного ускорения их вращения вследствие организованного совместного сближения - удаления осей (сжатия - расширения объема сечений вихрей) двух рядов шнуроподобных вихрей и сжатия расширения сечений отдельных шнуроподобных вихрей.
Как известно из геометрии, однополостный гиперболоид может быть образован путем вращения двух видов прямых, имеющих одинаковый угол наклона относительно оси впускного канала, но разное направление относительно винтовых линий, соответственно правого и левого вращения. (см., например, московскую телебашню Шухова, составленную из двух указанных типов пересекающихся образующих таких однополостных гиперболоидов).
Газовый смеситель может быть выполнен кольцевым, а оси завихрителей расположены по одно направленным образующим однополостного гиперболоида по правой винтовой линии (см. Фиг. 4) при закрутке воздуха также по правой винтовой линии создает условия синхронного ускоренного движения воздуха и газа по впускному каналу и уменьшению аэродинамического сопротивления их движению в нем.
Газовый смеситель может быть выполнен кольцевым, а оси завихрителей расположены по одно направленным образующим однополостного гиперболоида по левой винтовой линии (см. Фиг. 5) при закрутке воздуха по правой винтовой линии создает условия ускоренного противонаправленного относительного движения воздуха относительно шнуроподобных вихрей горючего газа, повышенной турбулизации воздуха и газа при их движении по впускному каналу и способствует интенсификации процесса перемешивания, гомогенизации рабочей смеси и увеличения аэродинамического сопротивления их движению во впускном канале.
Двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом работает в следующей, ниже описанной последовательности.
Все указанные и далее приведенные режимы работы рампы газовых форсунок и форсунок из блока газовых форсунок соответствующего контура описаны в соответствии с необходимой последовательностью их включения в работу, но они могут быть и другими, не ограниченными описанными ниже последовательностями действий при работе двухконтурной системы питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом, так как общая возможная последовательность работы указанных частей и контуров питания газообразным топливом может определяться системой управления и возможностями работы электронного блока управления и соответственно использованием соотношения полезных свойств отдельных элементов системы, как то, что подача газа через рампу газовых форсунок в каждый отдельный цилиндр позволяет охладить его и соответственно повысить его массовое наполнение (особенно при полностью открытом дросселе), а при закрытом дросселе блок газовых форсунок и газовый смеситель позволяют создать наиболее однородную гомогенизированную рабочую смесь КГГ и воздуха. Все промежуточные состояния и работа указанных частей системы на различных режимах ДВС не могут быть подробно и детально описаны, так как требования к результатам работы ДВС могут быть не типичными и самыми разными, например, требование повышения показателей экологичности при движении в автомобиля в тоннеле, требующие наибольшей гомогенности для обеспечения полного выгорания КГГ и при отсутствии возможности появления окислов азота и сажи, может не совпасть с требованиями работы ДВС на режиме максимальной мощности или максимального момента, когда тяговые характеристики ДВС и автомобиля на указанных режимах должны, например, обеспечить движение автомобиля в гору, и при этом предотвратить перегрузку и вынужденную остановку ДВС, вне зависимости от экологичности или экономичности его работы, при этом рабочая смесь может быть переобогащенной и не совсем гомогенной.
На других промежуточных или специальных режимах, например, для обеспечения минимального расхода КГГ на единицу транспортной работы при крейсерском режиме движении на дальнем маршруте, эти требования могут быть обеспечены разными вариантами совместной работы отдельных элементов каждого контура двух контурной системы питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом. При этом следует отметить, что предложенная двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом по своей сущности может быть легко адаптируемой и вариабельной, то есть легко приспосабливаемой под требования работы топливной системы ДВС любой мощности и любого назначения.
Рассмотрим теперь наиболее распространенные режимы работы ДВС.
На режиме пуска, происходящим при малой скорости и большой неравномерности вращения вала ДВС и относительно большом времени, отведенном на предварительное перемешивание газа и воздуха в перепускном канале из-за малой частоты вращения вала ДВС при пуске, а также при возможности задросселирования (прикрытия воздушного дросселя) пространства впускного тракта и создания условий для эффективного первичного перемешивания увеличенного количества горючего газа и воздуха в перепускном канале, сообщенном с додроссельным пространством и смесителем, необходимого для пуска, то есть при необходимом переобогащении смеси, обеспечивающим оптимальные условия для воспламенения рабочей смеси и первых рабочих ходов, и дополнительного вторичного перемешивания в завихрителях газового смесителя при организованном ими движении разнонаправленном вращения шнуроподобных вихрей, расширяющихся из-за пониженного давления во впускном патрубке. При первых вспышках в цилиндрах происходит разгон, то есть резкое ускорение вращения вала ДВС, и изменение режима смесеобразования при прикрытом воздушном дросселе, в условиях которого может не хватить запаса газообразного топлива. Такой режим можно скомпенсировать путем подключений к этому режиму распределенной фазированной подачи КГГ на впуск в каждый отдельный цилиндр ДВС через газовые топливные форсунки 16 газовой рампы 15, что позволяет избежать резкого обеднения смеси при разгоне ДВС до режима холостого хода и позволяет осуществить эффективный пуск.
После пуска при работе ДВС на режиме холостого хода и малых нагрузок осуществляется фазированная распределенная подача газового топлива через газовую рампу 15 газовых форсунок 16, что позволяет:
- минимизировать инерционность системы подачи газового топлива при изменении скоростного режима работы ДВС;
- проводить поцилиндровую коррекцию подачи газового топлива;
- при необходимости выключать из работы часть цилиндров двигателя с целью снижения расхода топлива.
При работе двигателя на режиме холостого хода и малых нагрузок может осуществляется фазированная распределенная подача газового топлива через форсунки распределенного впрыска 2 газовой рампы 1, что позволяет подавать газовое топлива в цилиндры ДВС в строго определенном количестве, в строго определенном временном интервале и в строго определенный момент времени в полном соответствии с порядком работы ДВС и разрешенного пропуска рабочих ходов отдельных выбранных цилиндров.
При работе ДВС на режимах средних нагрузок и скоростей вращения вала ДВС при фазированной распределенной подаче газового топлива через рампу 15 газовых форсунок 16 и достаточном времени на образование рабочей смеси необходимой гомогенности в цилиндрах может оказаться недостаточно, и тогда включается в работу первый контур 7 централизованной подачи КГГ, соответственно в работе при этом будут все цилиндры ДВС для устранения пропуска рабочих ходов и не производительного расхода КГГ. Второй контур 8 распределенной фазированной подачи КГГ на впуск в отдельные цилиндры ДВС может быть отключен, что позволяет подавать газовое топливо в цилиндры ДВС постоянно в строго определенном количестве, в строго определенном временном интервале и в строго определенный момент времени. При увеличении подачи и соответствующем расширении КГГ возможно его переохлаждение вплоть до повторного ожижения газа в магистрали 4 его подачи, для предотвращения этого при больших расходах происходит принудительное подогревание до полного гарантированного перехода всех компонент КГГ путем подогрева его в испарителе 21 и отстутствия условий для последующей конденсации. Увеличение подачи КГГ будет производиться постепенным последовательным включением в работу отдельных газовых форсунок 10 блока 9, управляемых электронным блоком управления 22. При этом следует отметить, что очевидно то, что при недостаточности расхода одной газовой форсунки из рампы для впрыска КГГ на впуск в отдельный цилиндр можно соответственно в каждом ответвлении впускного коллектора или на подводящем канале подачи газа в форсунку рампы для впрыска КГГ в цилиндр установить несколько отдельных газовых форсунок рампы, с целью достижения подачи, необходимой как по массе, так и по объему для достижения заданного состава смеси в указанном отдельном цилиндре.
При работе двигателя на режимах высоких нагрузок, то есть - полной мощности и максимальной скорости, отдельной фазированной распределенной подачи газового топлива или отдельной центральной подачи газового топлива может не хватить для обеспечения подачи необходимого количества КГГ и для обеспечения топливного питания гомогенной рабочей газовоздушной смесью на этом режиме осуществляется совместная работы элементов обоих контуров системы, что позволяет:
- обеспечить относительную однородность состава газотопливо-воздушной смеси за счет достаточного перемешивания воздуха и газового топлива в газовом смесителе и необходимое для обеспечения режима максимальной мощности количество КГГ в цилиндре контуром распределенной подачи и достаточно полного выгорания газа в центральной области цилиндра, содержащей обогащенную и охлажденную испарением газа рабочую смесь, полученную распределенным впрыском из форсунок рампы;
- при этом обеспечить номинальную или максимальную мощность двигателя на достаточно длительный период.
- достаточно высокие удельные показатели работы.
Таким образом используются достоинства систем центральной и распределенной фазированной подачи газового топлива и устраняются их недостатки.
Таким образом, предлагаемая двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом при работе может обеспечивать топливом практически любой газовый двигатель, конвертированный из дизеля любой мощности, даже тепловозного или судового вида, на всех режимах его работы, так как в блоке и рампе может быть любое количество форсунок, необходимое для подачи любого наперед заданного количества КГГ во впускной патрубок и в отдельный цилиндр.
Помимо этого, так как в системах распределенного и центрального впрысков используются форсунки (дозаторы) газа одинаковой конструкции, то это обстоятельство значительно упрощает производство, конструкцию системы и управление ею.
На основании изложенного можно утверждать, что предложение соответствует критериям охраноспособности изобретения.
Заявитель в описании раскрыл все признаки двухконтурной системы питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом, что позволяет использовать эту систему в народном хозяйстве, а заявителю утверждать, что предложение соответствует критерию охраноспособности изобретения «промышленная применимость».
Заявителю из известного ему уровня техники не известна двухконтурная система питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом, в которой были бы раскрыты все приведенные в описании признаки и их свойства, что позволяет заявителю утверждать, что предложение соответствует критерию охраноспособности изобретения «новизна».
Заявитель утверждает, что ему не известна раскрытая в описании совокупность признаков двухконтурной системы питания двигателя внутреннего сгорания газообразным топливом, позволяющая достичь все описанные технические результаты и свойства элементов, составляющих систему, при последовательности их действий во время ее работы, что позволяет заявителю утверждать, что предложение соответствует критерию охраноспособности изобретения «изобретательский уровень».