Многотопливная пропорциональная система впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания
MULTI-FUEL PROPORTIONAL FUEL INJECTION SYSTEM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники.
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам центрального впрыска топлива, и может быть использовано в системах питания двигателей внутреннего сгорания.
Требования к снижению содержания токсичных и вредных веществ в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания постоянно повышаются. Одним из способов повышения экологичности выхлопных газов, является работа двигателя внутреннего сгорания на природном газе. В качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания может использоваться сжатый природный газ и сжиженный природный газ, которые могут храниться в баллонах под высоким давлением. Топливные системы двигателей внутреннего сгорания могут использовать в виде топлива сжиженные и сжатые природные газы с применением различных технологий в системах питания двигателей внутреннего сгорания, которые приспособлены для специфичных физических и химических свойств сжиженного и сжатого природного газа. Однотопливные системы питания двигателей внутреннего сгорания, в большинстве своем, выполнены с возможностью работать только с жидкими топливами на основе бензина. Многотопливные системы питания двигателей внутреннего сгорания могут быть выполнены с возможностью работать как с жидкими видами топлива на основе бензина, так и возможностью работать с сжиженным природным газом или с сжатым природным газом. Системы управления могут эксплуатировать такие многотопливные системы питания в различных режимах работы двигателей внутреннего сгорания.
Уровень техники.
Известна система управления впрыском топлива двигателя внутреннего сгорания, состоящая из электронного блока управления впрыском, датчика массового расхода воздуха, датчика положения дроссельной заслонки, рабочих форсунок впрыска бензина, газонейтрализатора, выходного датчика содержания кислорода, причем выходы датчика массового расхода воздуха и датчика положения дроссельной заслонки подключены к входам блока управления двигателем, выходы которого подключены к управляющим входам рабочих форсунок впрыска бензина дополнительно содержит индивидуальные датчики содержания кислорода, каждый из которых расположен у своего цилиндра, причем выходы индивидуальных датчиков содержания кислорода подключены к входам блока управления впрыском. Выход выходного датчика содержания кислорода подключен к входу блока управления впрыском. Причем индивидуальные датчики содержания кислорода располагаются в отводах коллектора, удлиненных для исключения попадания на индивидуальные датчики содержания кислорода отработанных газов соседних цилиндров. (См. патент РФ №92103, МПК F02D 41/00, опубликовано 10.03.2010).
В данную систему впрыска входят электронные приборы управления впрыском, датчик массового расхода воздуха, выходной датчик содержания кислорода, датчик положения дроссельной заслонки, рабочие форсунки. Все эти элементы являются достаточно сложными и дорогостоящими составляющими системы впрыска топлива, что является существенным недостатком.
,
Известна система центрального впрыска газа для двигателя внутреннего сгораниясодержащая источник сжатого газа (1) с заправочным устройством (2), снабженным манометром (3) высокого давления, штуцерами (4) и (5) заправки и расхода газа соответственно, выполненными в одном блоке, и сообщенным через трубопровод (6) высокого давления, снабженный компенсатором (7), с газовым редуктором (8), снабженным газовыми электромагнитным и пусковым клапанами (9) и (10) соответственно. Регулятор давления газа (11) при помощи трубопровода (12) низкого давления сообщен с электромагнитной форсункой (13), размещенной перед дроссельной заслонкой (14). С другой стороны регулятор давления (11) газа при помощи трубопровода (15) управления сообщен с задроссельным пространством (16) карбюратора-смесителя (17). Переключатель (18) вида топлива связан электрической цепью с катушкой (19) зажигания, электромагнитным бензиновым клапаном (20), сообщенным через бензопровод (21) с поплавковой камерой (22) карбюратора-смесителя (17). Микропроцессорный блок (23) управления топливоподачей и зажиганием связан электрической цепью с датчиком (24) расхода воздуха, размещенным в приемной патрубке (25) перед воздушным фильтром (26), через функциональный преобразователь (27). (См. патент РФ №2120052, МПК F02M 21/02, опубликовано: 10.10.1998).
В данной системе впрыска газа имеются электронные приборы, которые являются достаточно сложными и дорогостоящими элементами системы впрыска, что является существенным недостатком.
Известна система впрыска топлива в корпус дроссельной заслонки, включающая корпус дроссельной заслонки, по меньшей мере, с одним воздухозаборником, топливную форсунку, соединенную с корпусом дроссельной заслонки у топливного канала, и кольцевое кольцо, соединенное с цилиндрической внутренней стенкой воздухозаборника. Кольцевое кольцо включает первичное выпускное отверстие для топлива, примыкающее к топливному каналу, и множество вторичных выпускных отверстий для топлива, расположенных радиально вокруг кольцевого кольца для распыления распыленного топлива во впускное отверстие для воздуха. (См. патент США №10570866, МПК F02 61\18 опубликовано 25.02.2020).
Данное техническое решение представляет собой разновидность электронной системы впрыска топлива, в состав которой входят электронный блок управления, датчики, электромагнитные форсунки, которые повышают стоимость системы впрыска, что является существенным недостатком.
Раскрытие изобретения
.
Технической задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание системы впрыска топлива, обеспечивающей приготовление оптимальной по составу горючей (топливо-воздушной) смеси для разных режимов работы двигателя внутреннего сгорания из разных видов топлива (топливо на основе бензина, сжиженный газ, сжатый газ), без электронных компонентов, что снизит токсичность выхлопных газов  и снизит стоимость системы питания двигателя внутреннего сгорания.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемая многотопливная пропорциональная система впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания включает смесительный узел в котором, в результате смешивания топлива и воздуха, происходит приготовление горючей (топливно-воздушной) смеси; смесительный узел содержит щелевую форсунку и дроссельную заслонку; при этом щелевая форсунка выполнена в виде трубки, вдоль боковой поверхности которой выполнена щель; в щелевую форсунку установлен шток с поршнем, на котором установлено уплотнительное кольцо; в запоршневой части щелевой форсунки выполнены два отверстия для перемещения в смесительный узел прорвавшегося через уплотнительное кольцо топлива; дроссельная заслонка выполнена в виде пластины, которая линейно перемещается в смесительном узле под углом и регулирует количество воздуха, проходящего через диффузор. Щелевая форсунка может быть установлена под разными углами в зависимости от конструктивного исполнения смесительного узла. Дроссельная заслонка может быть установлена под разными углами в зависимости от конструктивного исполнения смесительного узла.
Краткое описание чертежей.
Сущность данного изобретения поясняется чертежом, где:
На фиг. 1 показана принципиальная схема многотопливной пропорциональной системы впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания.
На фиг. 2 показана схема щелевой форсунки.
На фиг. 3 показана схема работы смесительного узла при малом открытии щелевой форсунки и малом открытии дроссельной заслонки.
На фиг. 4 показана схема работы смесительного узла при среднем открытии щелевой форсунки и среднем открытии дроссельной заслонки.
На фиг. 5 показана схема работы смесительного узла при максимальном открытии щелевой форсунки и максимальном открытии дроссельной заслонки.
На чертеже введены следующие обозначения:
1. Поршень двигателя.
2. Цилиндр двигателя.
3. Впускной клапан.
4. Диффузор.
5. Дроссельная заслонка.
6. Выходное отверстие продувки запоршневой части щелевой форсунки.
7. Шток.
8. Смесительный узел.
9. Входное отверстие продувки запоршневой части щелевой форсунки.
10. Входной воздушный патрубок.
11. Уплотнительное кольцо.
12. Поршень.
13. Щелевая форсунка.
14. Топливо под давлением.
15. Регулятор давления сжиженного газа.
16. Запорный клапан сжиженного газа.
17. Баллон с сжиженным газом.
18. Топливный бак с бензином.
19. Топливный насос бензина.
20. Запорный клапан бензина.
21. Запорный клапан сжатого газа.
22. Регулятор давления сжатого газа.
23. Баллон с сжатым газом.
24. Другие подключения (жидкости  и газы, улучшающие  пуск холодного двигателя при низких температурах, жидкости и газы, повышающие антидетонационные свойства топлива, жидкости и газы, понижающие токсичность выхлопных газов двигателя, другие виды топлива и прочее).
25. Горючая (топливо-воздушная) смесь.
26. Щель, через  которую топливо под давлением впрыскивается  в смесительный узел.
Осуществление изобретения
.
Многотопливная пропорциональная система впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания (фиг. 1) включает смесительный узел 8 в котором, в результате смешивания топлива и воздуха, происходит приготовление горючей (топливо-воздушной) смеси 25. Смесительный узел 8 содержит щелевую форсунку 13 и дроссельную заслонку 5.
Щелевая форсунка 13 (фиг. 2.) выполнена в виде трубки, вдоль боковой поверхности которой выполнена щель 26 (или несколько щелей, или большое количество отверстий маленького диаметра). В щелевую форсунку 13 установлен шток 7 с поршнем 12. На поршень 12 установлено уплотнительное кольцо 11 (или несколько уплотнительных колец). Поршень 12, при перемещении внутри щелевой форсунки 13, открывает или закрывает щель 26. Количество впрыскиваемого в смесительный узел 8 топлива зависит от положения поршня 12, который регулирует длину щели 26, через которую впрыскивается топливо. При малой длине открытой части щели 26 в смесительный узел 8 впрыскивается малое количество топлива, при большой длине открытой части щели 26 в смесительный узел 8 впрыскивается большое количество топлива. Зависимость количества впрыскиваемого в смесительный узел 8 топлива прямо пропорционально длине открытой части щели 26. При работе двигателя внутреннего сгорания какая-то часть топлива под давлением 14 прорвется через уплотнительное кольцо 11 на поршне 12 в запоршневую часть щелевой форсунки 13. Для перемещения прорвавшегося топлива в смесительный узел 8 в щелевой форсунке 13 выполнены два отверстия 6 и 9. Воздух из входного воздушного патрубка 10, входя через отверстие 9 и выходя через отверстие 6, будет продувать запоршневую часть щелевой форсунки 13, перемещая в смесительный узел 8 прорвавшееся через уплотнительное кольцо 11 топливо. Щелевая форсунка 13 может устанавливаться под разными углами к проходящему потоку воздуха для снижения аэродинамического сопротивления и в зависимости от конструктивного исполнения смесительного узла.
Дроссельная заслонка 5 выполнена в виде пластины которая, линейно перемещаясь в смесительном узле 8, регулирует количество воздуха проходящего через диффузор 4. Дроссельная заслонка 5 линейно перемещается под углом к проходящему потоку воздуха. Это снизит аэродинамическое сопротивление и повысит наполняемость цилиндров горючей (топливо-воздушной) смесью 25, что приведет к повышение мощности двигателя. Угол наклона дроссельной заслонки 5 может быть любой (угол наклона подбирается экспериментально и зависит от конструктивного исполнения смесительного узла). Количество поступающего в смесительный узел 8 воздуха прямо пропорционально степени открытия дроссельной заслонки 5. При малом открытии дроссельной заслонки 5 в смесительный узел 8 поступает малое количество воздуха, при большом открытие дроссельной заслонки 5 в смесительный узел 8 поступает большое количество воздуха.
Работа любой топливной системы двигателя внутреннего сгорания заключается в приготовление горючей (топливо-воздушной) смеси оптимального состава для всех режимов работы двигателя внутреннего сгорания. Для полного сгорания 1 килограмма бензина необходимо 14,7 килограммов воздуха. Такой состав горючей смеси называется стехиометрическим (стехиометрическая горючая смесь - это смесь горючего и окислителя, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего). Задача любой топливной системы двигателя внутреннего сгорания состоит в поддержании этого пропорционального отношения воздуха и топлива при любых режимах работы двигателя внутреннего сгорания. Предлагаемая система впрыска топлива всегда приготавливает горючую (топливо-воздушную) смесь одинакового пропорционального отношения топлива и воздуха при разных режимах работы двигателя внутреннего сгорания.
Принцип работы заявляемой системы впрыска топлива.
При работе двигателя внутреннего сгорания поршень двигателя 1 (фиг. 1), перемещаясь вниз, засасывает воздух в цилиндр двигателя 2 и вызывает движение воздуха во входном воздушном патрубке 10. Топливо под давлением 14 поступает в щелевую форсунку 13, через щель 26 которой впрыскивается в смесительный узел 8, где перемешивается с движущимся воздухом, образуя горючую (топливо-воздушную) смесь 25. Далее горючая (топливо-воздушная) смесь 25 проходит через диффузор 4 и через впускной клапан 3 поступает в цилиндр двигателя 2. Количество поступившей в цилиндр двигателя 2 горючей (топливо-воздушной) смеси 25 регулируется линейным перемещением дроссельной заслонки 5.
Работа смесительного узла при малом открытии щелевой форсунки 13 и малом открытии дроссельной заслонки 5 показана на фиг. 3. Поршень 12 открыл щель 26 щелевой форсунки 13 на малую величину. Дроссельная заслонка 5 открыла диффузор 4 на малую величину. При этом в смесительный узел 8 поступает малое количество топлива и малое количество воздуха. Малое количество топлива и малое количество воздуха перемешиваются и образуется малое количество горючей (топливо-воздушной) смеси 25.
Работа смесительного узла при среднем открытии щелевой форсунки 13 и среднем открытии дроссельной заслонки 5 показана на фиг. 4. Поршень 12 открыл щель 26 щелевой форсунки 13 на среднюю величину. Дроссельная заслонка 5 открыла диффузор 4 на среднюю величину. При этом в смесительный узел 8 поступает среднее количество топлива и среднее количество воздуха. Среднее количество топлива и среднее количество воздуха перемешиваются и образуется среднее количество горючей (топливо-воздушной) смеси 25.
Работа смесительного узла при максимальном открытии щелевой  форсунки 13 и максимальном открытии дроссельной заслонки 5 показана на фиг. 5. Поршень 12 открыл щель 26 щелевой форсунки 13 на максимальную величину. Дроссельная заслонка 5 открыла диффузор 4 на максимальную величину. При этом в смесительный узел 8 поступает максимальное количество топлива и максимальное количество воздуха. Максимальное количество топлива и максимальное количество воздуха перемешиваются и образуется максимальное количество горючей (топливо-воздушной) смеси 25.
Поршень 12 щелевой форсунки 13 и дроссельная заслонка 5 перемещаются одновременно. Так как количество впрыскиваемого в смесительный узел 8 топлива под давлением 14 регулируется линейным перемещением поршня 12 внутри щелевой форсунки 13 и пропорционально длине открытой части щели 26 щелевой форсунки 13, а количество поступающего в смесительный узел 8 воздуха регулируется линейным перемещением дроссельной заслонки 5 и пропорционально открытому проходному сечению диффузора 4, то можно экспериментальным путем подобрать параметры одновременного линейного перемещения поршня 12 щелевой форсунки 13 и линейного перемещения дроссельной заслонки 5 таким образом, что при любом режиме работы двигателя внутреннего сгорания в цилиндр двигателя 2 всегда будет поступать оптимальная по составу горючая (топливо-воздушная) смесь 25 и пропорции топлива и воздуха всегда будут одинаковыми.
Настойка пропорций топлива и воздуха в предлагаемой системе впрыска топлива возможна экспериментальным путем. Необходимо экспериментально подобрать давление топлива, ширину и длину щели 26, размеры диффузора 4 и размеры дроссельной заслонки 5, угол наклона дроссельной заслонки 5 и угол наклона щелевой форсунки 13, рабочий ход поршня 12 и рабочий ход дроссельной заслонки 5.
Рассмотрим пример.
Предположим, что экспериментально подобраны все эти параметры, система впрыска топлива отрегулирована на стехиометрический состав горючей (топливо-воздушной) смеси и при этом рабочий ход поршня 12 щелевой форсунки 13 равен 20 мм. и рабочий ход дроссельной заслонки 5 также равен 20 мм.
При этом, при максимальном открытии поршня 12 на 20 мм. и дроссельной заслонки 5 на 20 мм., в цилиндр двигателя 2 будет поступать максимальное количество стехиометрической горючей (топливо-воздушной) смеси.
Если одновременно закрыть дроссельную заслонку 5 на 10 мм. (на 50%) и поршень 12 на 10 мм. (на 50%), то в цилиндр двигателя 2 будет поступать 50% от максимального количества стехиометрической горючей (топливо-воздушной) смеси.
Если одновременно закрыть дроссельную заслонку 5 на 16 мм. (на 80%) и поршень 12 на 16 мм. (на 80%), то в цилиндр двигателя 2 будет поступать 20% от максимального количества стехиометрической горючей (топливо-воздушной) смеси.
В приведенном примере в цилиндр двигателя 2 всегда будет поступать стехиометрическая горючая (топливо-воздушная) смесь, так как дроссельная заслонка 5 и поршень 12 закрываются одновременно и пропорционально. В приведенном примере рассмотрен вариант конструктивного исполнения смесительного узла при котором рабочий ход дроссельной заслонки 5 и рабочий ход поршня 12 одинаковый. В этом варианте конструктивного исполнения смесительного узла поршень 12 и дроссельная заслонка 5 могут управляться двумя тросиками от одной педали акселератора в салоне автомобиля, так как рабочий ход двух управляющих тросиков от одной педали акселератора будет одинаковый и будет обеспечено одновременное и пропорциональное перемещение дроссельной заслонки 5 и поршня 12. Если рабочий ход поршня 12 и дроссельной заслонки 5 разный, то необходимо другое исполнительное устройство.
Конструктивное устройство щелевой форсунки 13, из которой топливо под давлением 14 через щель 26 непрерывно впрыскивается в смесительный узел 8, обеспечивает работу щелевой форсунки 13 на разных видах топлива - бензин, сжиженный газ, сжатый газ.
Для работы системы впрыска топлива обязательным условием является подача в щелевую форсунку топлива под давлением. При работе двигателя внутреннего сгорания давление сжиженного газа устанавливается регулятором давления сжиженного газа 15, давление бензина создается топливным насосом бензина 19, давление сжатого газа устанавливается регулятором давления сжатого газа 22. Для каждого вида топлива предусмотрен отдельный запорный клапан: 16-запорный клапан сжиженного газа, 20- запорный клапан бензина, 21- запорный клапан сжатого газа.
Рассмотрим примеры работы системы впрыска на разных видах топлива.
Пример 1. Работа на бензине.
Запорный клапан сжиженного газа 16 закрыт, запорный клапан сжатого газа 21 закрыт. Запорный клапан бензина 20 открыт, топливный насос бензина 19 работает и создает давление бензина. При этих условиях в щелевую форсунку 13 поступает только бензин под давлением. Из щели 26 щелевой форсунки 13 бензин впрыскивается в смесительный узел 8, где перемешивается с воздухом и образуется горючая (топливо-воздушная) смесь, обеспечивая работу двигателя внутреннего сгорания.
Пример 2. Работа на сжиженном газе.
Топливный насос бензина 19 не работает, запорный клапан бензина 20 закрыт, запорный клапан сжатого газа 21 закрыт. Запорный клапан сжиженного газа 16 открыт. При этих условиях в щелевую форсунку 13 поступает только сжиженный газ под давлением. Из щели 26 щелевой форсунки 13 сжиженный газ впрыскивается в смесительный узел 8, где перемешивается с воздухом и образуется горючая (топливно-воздушная) смесь, обеспечивая работу двигателя внутреннего сгорания.
Пример 3. Работа на сжатом газе.
Топливный насос бензина 19 не работает, запорный клапан бензина 20 закрыт, запорный клапан сжиженного газа 16 закрыт. Запорный клапан сжатого газа 21 открыт. При этих условиях в щелевую форсунку 13 поступает только сжатый газ под давлением. Из щели 26 щелевой форсунки 13 сжатый газ впрыскивается в смесительный узел 8, где перемешивается с воздухом и образуется горючая (топливо-воздушная) смесь, обеспечивая работу двигателя внутреннего сгорания.
Пример 4. Работа одновременно на бензине и сжиженном газе.
Запорный клапан сжатого газа 21 закрыт. Запорный клапан сжиженного газа 16 открыт, запорный клапан бензина 20 открыт, топливный насос бензина 19 работает и создает давление бензина. При этих условиях в щелевую форсунку 13 одновременно поступает бензин под давлением и сжиженный газ под давлением. Из щели 26 щелевой форсунки 13 бензин и сжиженный газ одновременно впрыскиваются в смесительный узел 8, где перемешиваются с воздухом и образуют горючую (топливо-воздушную) смесь, обеспечивая работу двигателя внутреннего сгорания.
Пример 5. Работа одновременно на бензине и сжатом газе.
Запорный клапан сжиженного газа 16 закрыт. Запорный клапан сжатого газа 21 открыт, запорный клапан бензина 20 открыт, топливный насос бензина 19 работает и создает давление бензина. При этих условиях в щелевую форсунку 13 одновременно поступает бензин под давлением и сжатый газ под давлением. Из щели 26 щелевой форсунки 13 бензин и сжатый газ одновременно впрыскиваются в смесительный узел 8, где перемешиваются с воздухом и образуют горючую (топливо-воздушную) смесь, обеспечивая работу двигателя внутреннего сгорания.
Пример 6. Работа одновременно на сжиженном газе и сжатом газе.
Запорный клапан бензина 20 закрыт, топливный насос бензина 19 не работает.
Запорный клапан сжиженного газа 16 открыт, запорный клапан сжатого газа 21 открыт. При этих условиях в щелевую форсунку 13 одновременно поступает сжиженный газ под давлением и сжатый газ под давлением. Из щели 26 щелевой форсунки 13 сжиженный газ и сжатый газ одновременно впрыскиваются в смесительный узел 8, где перемешиваются с воздухом и образуют горючую (топливо-воздушную) смесь, обеспечивая работу двигателя внутреннего сгорания.
Пример 7. Работа одновременно на сжиженном газе, бензине и сжатом газе. Запорный клапан сжиженного газа 16 открыт, запорный клапан бензина 20 открыт, топливный насос бензина 19 работает и создает давление бензина, запорный клапан сжатого газа 21 открыт. При этих условиях в щелевую форсунку 13 одновременно поступает сжиженный газ под давлением, сжатый газ под давлением и бензин под давлением. Из щели 26 щелевой форсунки 13 сжиженный газ, сжатый газ и бензин одновременно впрыскиваются в смесительный узел 8, где перемешиваются с воздухом и образуют горючую (топливо-воздушную) смесь, обеспечивая работу двигателя внутреннего сгорания.
Таким образом, во всех рассмотренных примерах работы на разных видах топлива, предлагаемая система впрыска топлива всегда приготавливает горючую (топливо-воздушную) смесь, обеспечивая работу двигателя внутреннего сгорания.
В предлагаемой системе впрыска топлива аналогичным способом возможны другие подключения 24 (фиг.1): жидкости и газы, улучшающие  пуск холодного двигателя при низких температурах; жидкости и газы, повышающие антидетонационные свойства топлива; жидкости и газы, понижающие токсичность выхлопных газов двигателя; другие виды топлива и прочее.
Заявляемая многотопливная пропорциональная система впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания обеспечивает приготовление оптимальной по составу горючей (топливо-воздушной) смеси для разных режимов работы двигателя внутреннего сгорания из разных видов топлива (топливо на основе бензина, сжиженный газ, сжатый газ) без электронных компонентов, что снизит токсичность выхлопных газов  и снизит стоимость системы питания двигателя внутреннего сгорания.