УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE FUEL FEED DEVICE

Область техники
Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания и, в частности, к устройству и способу для улучшения подачи топлива в двигатель с целью оптимизации расхода топлива за счет улучшенного сгорания в двигателе, снижения количества загрязняющих выхлопных газов и повышения КПД двигателя.
Уровень техники
В настоящее время перед обществом стоит задача улучшения сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что любое улучшение сгорания ведет к увеличению КПД двигателя внутреннего сгорания и снижению расхода, следствием чего является уменьшение прямых затрат. В то же время снижается количество выхлопных газов и содержание в них вредных примесей, что является большим преимуществом для окружающей среды.
Как известно, двигатели, работающие на СНГ (сжиженном нефтяном газе), выделяют достаточно чистые выхлопные газы, поскольку СНГ представляют собой чистое топливо, обеспечивающее более качественное сгорание. Цена СНГ тоже, как правило, ниже, чем у других видов топлива, что является еще одним преимуществом. Тем не менее, СНГ страдают и рядом недостатков, в числе которых можно назвать то обстоятельство, что их энергетическая ценность ниже, чем у других топлив, таких как бензин или дизельное топливо. Кроме того, число пунктов заправки СНГ меньше, чем число пунктов заправки для бензина или дизельного топлива.
Ранее уже выдвигались предложения по созданию топлива, в котором сочетались бы определенные преимущества СНГ с преимуществами традиционных топлив типа бензина или дизельного топлива. Часть этих предложений была направлена на газификацию топлива до определенной степени перед его подачей в двигатель. Так, в патенте США US 6155239, на имя Ф.Д. Дикстра (F.D. Dykstra), раскрыта система подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, в которой топливный бак используется также для формирования топливовоздушной смеси. Эту смесь получают путем использования помещенной на дне топливного бака барботажной ванны, через которую подается наружный воздух. Предусмотрены датчики, помещенные в трубке, соединяющей топливный бак с двигателем, которые измеряют состав топливовоздушной смеси. На основании измеренных значений компьютер регулирует количество дополнительного воздуха, который добавляется к топливовоздушной смеси, подаваемой на выход из топливного бака. Если имеет место слишком богатый состав топливовоздушной смеси, к смеси добавляют наружный воздух, а если он оказывается слишком бедным, то в смесь впрыскивают жидкое топливо.
В патенте США US 3800768 на имя Дж.С. Родес (J.C. Rhodes) и др., раскрыта система, предназначенная для снижения содержания в выхлопных газах некоторых вредных веществ во время пуска и разогрева двигателя. В это время карбюратор двигателя байпасируется, а в двигатель подается смесь воздуха и некоторых компонентов бензина с низкой температурой кипения. Указанную смесь получают, пропуская наружный воздух через находящийся в баке бензин. После того, как будет достигнут нормальный рабочий режим двигателя, переходят на подачу топлива в двигатель из карбюратора.
Во французском патенте FR 2167082 на имя Хаас-Фолькман (Haas-Volkman), раскрыта система, предназначенная для улучшения гомогенности топливовоздушной смеси с целью снижения содержания вредных газов. В рассматриваемой системе к вырабатываемой в карбюраторе смеси добавляется топливовоздушная смесь.
Наконец, в британской патентной заявке GB 2042076 на имя да Коста (da Costa), раскрыта система, обеспечивающая возможность работы двигателя внутреннего сгорания на крайне обедненной смеси. В соответствии с предложенным в этой заявке техническим решением, такую смесь можно получить, пропуская часть наружного воздуха через топливо. Топливо нагревают за счет отвода из контура охлаждения двигателя.
Однако все рассмотренные выше системы страдают определенными недостатками.
Сущность изобретения
Целью заявленного изобретения является разработка такого устройства подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, в котором жидкое топливо газифицировалось бы и которое обеспечивало бы возможность работы двигателя с оптимальным КПД при минимальном содержании загрязняющих веществ в выхлопных газах.
Согласно первому аспекту заявленного изобретения, указанная цель достигается благодаря устройству подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, в котором топливо газифицируется, это устройство содержит резервуар с топливом, трубопровод подвода воздуха, снабженный погруженным в топливо распределителем воздуха, и контур нагрева топлива, содержащий средства для поддержания оптимальной температуры топлива.
В соответствии с первым вариантом реализации изобретения, распределитель воздуха по бокам имеет отверстия.
В соответствии с другим вариантом заявленного изобретения, в контуре нагрева топлива используется вода для охлаждения двигателя.
В соответствии с еще одним вариантом заявленного изобретения, средства для поддержания оптимальной температуры топлива представляют собой термостат, установленный в контуре нагрева топлива.
В соответствии с еще одним вариантом заявленного изобретения, система подогрева топлива содержит нагреватель сопротивления.
В соответствии с еще одним вариантом заявленного изобретения, оптимальное значение температуры топлива в резервуаре поддерживается на среднем уровне 22°С, плюс-минус несколько градусов.
В соответствии с еще одним вариантом заявленного изобретения, устройство подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания содержит средства для «осушения» топливовоздушной смеси.
В соответствии с еще одним вариантом заявленного изобретения, устройство подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания содержит стабилизирующее средство, расположенное над распределителем воздуха. Это стабилизирующее средство может быть образовано слоем стружек из нержавеющей стали.
Согласно второму аспекту цель заявленного изобретения достигается также благодаря устройству подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, в котором топливо подвергается газификации, причем это устройство содержит резервуар с топливом и вакуумный насос, создающий разрежение в указанном резервуаре и всасывающий выделяющиеся в резервуаре топливные газы с одновременной закачкой этих газов в топливовоздушный смеситель.
Согласно третьему аспекту цель заявленного изобретения достигается также с помощью комплекта для установки на двигателе внутреннего сгорания и содержащего устройство подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, которое обладает одним или несколькими из вышеописанных признаков.
Заявленное изобретение также охватывает устройства подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, обладающие одним или несколькими сочетаниями вышеописанных признаков.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображено устройство для газификации жидкого топлива и получения улучшенной топливовоздушной смеси;
на фиг.2 изображено промежуточное устройство для соединения устройства, представленного на фиг.1 с всасывающим трубопроводом двигателя;
на фиг.3 представлен один из вариантов исполнения устройства по фиг.1;
на фиг.4 схематически представлен другой вариант исполнения устройства для газификации жидкого топлива.
Подробное раскрытие изобретения
Заявленное изобретения основано на принципе газификации жидкого топлива и получения оптимальной топливовоздушной смеси.
На чертежах одинаковые элементы обозначены одними и теми же номерами позиций.
На фиг.1 показано устройство для реализации указанного выше принципа изобретения. Данное устройство содержит резервуар (1), в котором находится жидкое топливо (4). С резервуаром (1) связано устройство (5), поддерживающее определенный уровень топлива в этом резервуаре. Указанный регулятор (5) уровня сверху соединен с резервуаром (1), чтобы при работе исключить эффект разрежения. В резервуар (1) погружен трубопровод (2) подвода воздуха. С одного конца этот трубопровод забирает воздух снаружи, а другим концом соединен с распределителем воздуха (7), по бокам которого выполнены отверстия, причем днище этого распределителя закрыто. Необходимо предусмотреть достаточное количество отверстий, чтобы обеспечить возможность выхода достаточного объема воздуха. Распределитель воздуха (7) установлен таким образом, что он постоянно погружен в жидкое топливо. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов выполнения, поступающий снаружи воздух, прежде чем он будет подан в трубопровод (2) подвода воздуха, предварительно нагревают посредством выхлопной системы (12). В части, обеспечивающей подачу воздуха, предусмотрен управляемый термостатом (11) клапан, который в зависимости от потребности может подавать в устройство либо горячий, либо холодный воздух.
Возможность подогрева топлива обеспечивается посредством отвода из контура охлаждения двигателя (например, змеевика 8, 9), по которому может циркулировать горячая вода. Имеется также термостат (8) поддерживающий оптимальную температуру топлива независимо от температуры охлаждающей воды.
Имеется дистанционный термометр (термометр 10 с герметичным погружным зондом 13) для измерения температуры топлива. Возможна индикация этой температуры на рабочей панели или на приборном щитке.
При холодном пуске нагрев жидкого топлива (4) до заданной температуры обеспечивает нагревательный элемент (3). Можно также предусмотреть регулятор, обеспечивающий постоянную температуру топлива при нагревании с помощью указанного элемента.
Топливовоздушная смесь выходит из резервуара (1) по выходному трубопроводу (6).
На фиг.2 показано промежуточное устройство для соединения этого выходного трубопровода (6) с всасывающим трубопроводом (19) двигателя. Это промежуточное устройство содержит подвод (16), соединенный с выходным трубопроводом (6), например, гибким шлангом. Кроме того, промежуточное устройство содержит поворотный клапан (20) разрежения на впуске и пусковой клапан (17), соединенный тросом со стартером автомобиля.
Данное промежуточное устройство на входе всасывающего трубопровода также содержит механический обратный клапан (15) для защиты устройства от взрыва в случае самовоспламенения. В этом случае отвод давления, вызванного таким самовоспламенением, обеспечивает механический клапан (18), расположенный на впуске.
Изображенное на фиг.1 и 2 устройство работает следующим образом. Когда цилиндр (или один из цилиндров) двигателя работает в такте «всасывание», в резервуаре (1) через трубопровод (6) создается разрежение. Из-за этого разрежения часть топлива испаряется, и образовавшийся в результате газ всасывается вместе с наружным воздухом, который поступает через распределитель воздуха (7). При этом происходит всасывание оптимальной газифицированной топливовоздушной смеси в соответствующий цилиндр, где эта смесь поджигается посредством внешнего средства зажигания (запальная свеча) или в результате самовоспламенения, в зависимости от характера работы двигателя.
Для испарения топлива в резервуаре требуется энергия (калории), и поскольку испарение представляет собой адиабатический процесс, происходит охлаждение топлива. По этой причине важно предусмотреть средства для его нагрева.
Для оптимального сгорания топливовоздушной смеси необходимо определенное стехиометрическое соотношение объемов воздуха и топлива. На практике было установлено, что для бензинового двигателя оптимальное сгорание смеси достигается тогда, когда средняя температура топлива равна 22°С, плюс-минус несколько градусов. Именно поэтому в контуре регулировки температуры топлива предусмотрен термостат (8). Следует подчеркнуть, что указанная величина 22°С - это опытное значение, а на оптимальное значение температуры топлива может воздействовать ряд факторов, в частности, разрежение в резервуаре, вид используемого топлива, геометрия резервуара и пр.
Еще одно условие достижения хорошего сгорания смеси состоит в том, чтобы в топливовоздушной смеси, всасываемой цилиндром, процентная доля частиц топлива в жидком виде была как можно меньшей, и чтобы присутствующее в смеси топливо было практически целиком в газообразном состоянии. Это достигается благодаря применению специальных средств для «осушения» смеси, то есть максимально возможного отделения жидких частиц (например, мелких капель) от данной смеси. Для этого можно предусмотреть в резервуаре специальные перегородки (см. на фиг.1 установленные над топливом наклонные перегородки 15, через которые перемещается смесь). Однако можно использовать и иные средства типа каплеотделителя, декантатора и т.п.
Предпочтительно также предусмотреть средства регулирования топливовоздушной смеси путем добавления воздуха в случае, когда эта смесь слишком богатая, и снижения количества подводимого воздуха, если она слишком бедная.
На фиг.3 показан один из вариантов исполнения устройства, представленного на фиг.1, где некоторые элементы, например, система подачи наружного воздуха, для простоты не показаны. Согласно фиг.3 жидкое топливо (4) подается в резервуар (1) через устройство (5), поддерживающее постоянный уровень этого топлива. По трубопроводу (2) всасывается наружный воздух, а топливовоздушная смесь подается в двигатель по трубопроводу (6). Над имеющим отверстия распределителем (7) воздуха и внутри топлива находится стабилизирующее средство 33. Это средство обладает высокой пористостью, а также может увеличивать количество имеющихся в топливе воздушных пузырьков и в то же время стабилизировать верхнюю поверхность жидкого топлива таким образом, чтобы она оставалась более или менее устойчивой, то есть горизонтальной, в процессе перемещений резервуара, например, на поворотах или склонах. Исключительно эффективным средством является слой стружки из нержавеющей стали, хотя вполне можно использовать и слой, содержащий один или несколько других материалов. Другое решение, позволяющее стабилизировать работу устройства, состоит в применении карданной подвески резервуара.
В варианте исполнения, представленном на фиг.3, топливовоздушная смесь «осушается» с помощью спирального канала (32), за которым следует декантатор (34). Внутри декантатора капли жидкости отделяются благодаря угловому перемещению, которое совершает топливовоздушная смесь в трубопроводе 36. В днище декантатора (34) выполнено небольшое отверстие (35), которое служит для возврата жидкого топлива в резервуар. Очевидно, что не обязательно использовать в качестве осушающего средства сочетание двух указанных элементов - спирального канала (32) и декантатора (34), вполне можно применить их и по отдельности.
В варианте исполнения, показанном на фиг.4, резервуар (1) используется только в качестве средства для газификации жидкого топлива, а получение топливовоздушной смеси происходит позже. Устройство согласно фиг.4 содержит резервуар (1), в который подается топливо через устройство (5) поддержания постоянного уровня, оснащенное нагревателем (8, 9). С резервуаром (1) соединен вакуумный насос (46), который создает разрежение над жидким топливом (4), в результате чего топливо газифицируется. Указанный насос (46) перекачивает топливные газы в газовоздушный смеситель (47), в который по трубопроводу (48) подается наружный воздух. Затем топливовоздушная смесь по другому трубопроводу (49) поступает в двигатель внутреннего сгорания (50).
На фиг.4 средства контроля и регулирования не показаны, однако очевидно, что можно предусмотреть средства контроля и регулирования, например, типа показанных на фиг.1, или такие средства, которые хорошо известны специалистам в данной области техники.
Резервуаром (1) может служить топливный бак двигателя, однако предпочтительнее применить отдельный резервуар, имеющий соответствующие размеры и местоположение. Дело в том, что, если подогревать все топливо в топливном баке, то это приведет к снижению запаса горючего в этом баке; кроме того, предпочтительно размещать резервуар (1) не слишком далеко от двигателя. Укажем также, что традиционные топливные баки не очень пригодны для работы в качестве резервуаров для предлагаемых согласно изобретению устройств.
Установлено, что применение заявленного устройства может повысить КПД двигателей внутреннего сгорания до значения, превышающего 60%, тогда как обычно он составляет порядка 35-45%. Это автоматически ведет к значительному уменьшению загрязнений в выхлопных газах и расхода топлива.
Заявленное устройство подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания может быть установлено изначально, однако согласно заявленному изобретению, можно обеспечить комплекты оборудования, включающие в себя такое устройство, которые позволят применить новую технологию для уже существующих двигателей.
Заявленное изобретение применимо как к бензиновым, так и к дизельным двигателям, а также к двигателям, использующим биотопливо (например, этанол, рапсовое масло и пр.) или смесь различных типов топлива.
Для дизельных двигателей, в частности, для уже существующих, имеются различные возможности их адаптации к применению заявленного устройства. Одна из таких возможностей состоит в преобразовании дизельного двигателя в бензиновый путем изменения степени сжатия (хорошо известная технология) и установке в нем свечей. Другая возможность предполагает комбинирование работы традиционного дизельного двигателя на малых оборотах с подачей топлива через устройство согласно заявленному изобретению. Кроме того, изобретение применимо как в стационарных двигателях (например, в электорогенераторах), так и в передвижных (легковые автомобили, автобусы, грузовики, лодки, трактора). В случае с бензиновыми двигателями заявленное устройство может заменить карбюратор.
Изобретение не ограничивается раскрытыми выше и проиллюстрированными на чертежах вариантами исполнения, а охватывает также самые разнообразные их модификации, которые могут быть получены специалистами на основании этих вариантов.