УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02M31/18 F02M27/04 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания на жидком углеводородном топливе (ДВС) и может быть использовано в машинах и механизмах, для работы которых требуется внешний источник механической энергии.

Из заявки EP 0053369, МПК F 02 M 31/18, опубл. 27.11.1981, известно устройство для подачи топлива в двигатели внутреннего сгорания, содержащее топливный бак, соединенный своим выходом с входом топливного насоса, топливный насос, соединенный своим выходом с камерой газообразования, камеру газообразования, подсоединенную своим выходом к устройству для подачи газа, устройство для подачи газа, подсоединенное своим выходом к смесителю, устройство для подачи воздуха, соединенное своим входом с атмосферой, а выходом со смесителем, смеситель, соединенный своим выходом с полостью камеры сгорания, причем жидкое углеводородное топливо перед смешиванием с атмосферным воздухом переводится в газообразное состояние.

Недостатки известного технического решения заключаются в следующем:
1. Высокий расход топлива;
2. Выброс в атмосферу вредных веществ.

Причины выявленных недостатков лежат в неполном перемешивании топлива с воздухом и протекании процесса сгорания в условиях недостатка кислорода. В частности, при смешивании топлива и атмосферного воздуха в камере сгорания образуется воздушно-капельная смесь, состоящая из молекул, составляющих атмосферного воздуха и мелких капель топлива, которые не успевают полностью перейти в газообразное состояние за время цикла работы двигателя. После инициализации процесса горения окисления одной капли топлива кислорода воздуха происходит не сразу по всему объему, а послойно, начиная с внешних слоев, т. е. внешние слои единицы воздушно-капельной смеси, участвуя в процессе горения, не дают доступа кислорода к внутренним слоям (фиг. 3). Кроме того, в процессе сгорания внешних слоев образуются продукты сгорания, которые также затрудняют доступ кислорода в зону горения (фиг. 4). В результате этого сгорания топлива происходит с недостатком кислорода, что приводит к образованию вредных веществ типа угарного газа CO, сажи и неполному сгоранию топлива, что, соответственно, ведет к его перерасходу.

Причиной невозможности получения технического результата является отсутствие решений, позволяющих молекулам топлива вступать во взаимодействие с молекулами кислорода одновременно при распространении зоны горения по всему объему топливной смеси в камере сгорания.

Учитывая анализ и характеристики аналогичных технических решений, можно сделать вывод, что задача создания экологически чистого без выделения побочных продуктов горения двигателя внутреннего сгорания на жидком углеводородном топливе с пониженным расходом топлива является актуальной на сегодняшний день.

Поставленная задача решается тем, что устройство для подачи топлива в двигатели внутреннего сгорания, содержащее топливный бак, соединенный своим выходом с входом топливного насоса, топливный насос, соединенный своим выходом с камерой газообразования, камеру газообразования, подсоединенную своим выходом к устройству для подачи газа, устройство для подачи газа, подсоединенное своим выходом к смесителю, устройство для подачи воздуха, соединенное своим входом с атмосферой, а выходом со смесителем, смеситель, соединенный своим выходом с полостью камеры сгорания, причем жидкое углеводородное топливо перед смешиванием с атмосферным воздухом переводится в газообразное состояние, согласно изобретению, в камере газообразования расположены электроды, подсоединенные к сети высокого напряжения двигателя, входной клапан, выполненный с возможностью открытия при давлении жидкости на входе клапана, равном давлению жидкости с выхода топливного насоса, и закрытия при превышении этого давления и выходной клапан, настроенный на закрытие при давлении в камере, равном давлению топлива на выходе, и открытие при превышении этого давления, причем жидкое углеводородное топливо переводится в газообразное состояние и ионизируется путем пропускания через электрическую дугу при отсутствии кислорода в камере.

Технический результат, указанный выше, достигается тем, что жидкое углеводородное топливо непосредственно перед смешиванием с атмосферным воздухом для приготовления топливной смеси переводится в газообразное состояние и ионизируется. Таким образом, вместо воздушно-капельной топливной смеси получается смесь атмосферного воздуха с газообразным ионизированным топливом, что приводит к равномерному смешиванию топливной смеси и взаимодействию молекул кислорода с молекулами топлива по всему объему топливной смеси в процессе горения в камере сгорания.

Сущность изобретения поясняется нижеследующими описаниями и чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, на фиг. 2 представлен схематический чертеж камеры газообразования, на фиг. 3 показана схема взаимодействия частиц топлива и кислорода при процессе окисления, на фиг. 4 показана схема взаимодействия частиц топлива и кислорода в процессе сгорания.

Устройство для подачи топлива в двигатели внутреннего сгорания содержит (фиг. 1):
топливный бак 1, соединенный своим выходом с топливным насосом 2;
топливный насос 2, соединенный своим входом с топливным баком 1, а своим выходом - с камерой газообразования 3;
камеру газообразования 3, соединенную своим входом с выходом топливного насоса 2, а своим выходом со входом устройства для подачи газа 4;
устройство для подачи 4, соединенное своим входом с камерой газообразования 3, а своим выходом - со смесителем 5;
устройство для подачи воздуха 6, соединенное своим входом с атмосферой, а своим выходом - со смесителем 5;
смеситель 5, соединенный одним своим входом с устройством для подачи воздуха 6, другим своим входом - с устройством для подачи газа 4, а своим выходом с полостью камеры сгорания 7;
камеру сгорания 7, соединенную своей полостью с выходом смесителя 5.

В качестве топливного бака 1, топливного насоса 2, устройства для подачи воздуха 6, камеры сгорания 7 использованы аналогичные системы, устанавливаемые на двигателе внутреннего сгорания на жидком топливе.

В качестве устройства для подачи газа 4 и смесителя 5 использованы аналогичные системы, устанавливаемые на двигатели внутреннего сгорания на газовом топливе.

В качестве камеры газообразования 3 использовано устройство, представляющее собой (фиг. 2): входной клапан 8, камеру 3, электроды 10, выходной клапан 11.

Материал для изготовления клапанов 8 и 11 стальные или медные сплавы, керамика. Оба клапана одностороннего действия, причем входной клапан 8 настроен таким образом, что он открыт и пропускает топливо внутрь камеры при давлении жидкости на входе клапана, равном давлению жидкости с выхода топливного насоса. При превышении этого давления в камере входной клапан 8 закрывается, перекрывая доступ топлива в камеру. Выходной клапан 11 настроен таким образом, что он закрыт при давлении в камере, равном давлению топлива на выходе с топливного насоса. При превышении этого давления в камере на расчетную величину выходной клапан открывается и содержимое камеры выходит из камеры.

Материал для изготовления камеры 3 - металлические сплавы, керамика.

Материал для изготовления электродов 11 - тугоплавкие материалы с высокой электропроводностью. При этом электроды изолированы от корпуса камеры. Количество пар электродов может быть различным и зависит от конструктивных особенностей камеры газообразования.

Предлагаемое устройство для подачи топлива в двигатели внутреннего сгорания работает следующим образом (см. фиг. 1).

При помощи топливного насоса 2 имеющееся в топливном баке 1 жидкое углеводородное топливо закачивается в камеру газообразования 3. При этом входной клапан (фиг. 2 поз. 8) камеры газообразования открыт и свободно пропускает топливо в камеру, а выходной клапан (фиг. 2 поз. 11) закрыт. После заполнения камеры газообразования между электродами (фиг. 2 поз. 10), расположенными внутри камеры газообразования 3, пропускается высоковольтный разряд от сети высокого напряжения двигателя внутреннего сгорания. Параметры электрической сети высокого напряжения ДВС и зазор между электродами в камере газообразования должны быть рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить возникновение устойчивости электрической дуги между электродами через жидкое углеводородное топливо. Между электродами 10 возникает электрическая дуга, под воздействием температуры которой жидкое топливо переходит в газообразное состояние. Кроме того, под воздействием электромагнитных факторов электрической дуги образовавшийся газ ионизируется. Давление в камере газообразования 3 повышается и давит на входной 8 и выходной 11 клапаны, за счет чего входной клапан 8 камеры газообразования закрывается и перекрывает доступ жидкого топлива в камеру, а выходной клапан 11 открывается и выпускает ионизированный топливный газ из камеры газообразования на вход устройства 4 для подачи газа. После выхода газа и снижения давления в камере газообразования 3 давление на входной клапан 8 камеры газообразования падает, он открывается, соответственно выходной клапан 11 камеры газообразования закрывается, и цикл повторяется вновь. Важным условием работы камеры газообразования является необходимость отсутствия кислорода в камере во время работы системы, чтобы не допустить возгорания топлива в камере газообразования. При функционировании камеры газообразования в рабочем режиме доступ атмосферного воздуха в камеру исключен, т. к. давление в ней выше атмосферного, но во время запуска двигателя такое возможно. Поэтому при работе двигателя в пусковом режиме необходимо обеспечить первоначальное полное заполнение камеры газообразования жидким углеводородным топливом. Это можно осуществить различными путями, например, открытием выходного клапана камеры газообразования до заполнения ее полностью жидким топливом.

Устройство для подачи газа 4, исходя из циклов работы двигателя, подает ионизированное газообразное топливо дозированными порциями в смеситель 5, куда одновременно через устройство для подачи воздуха 6 поступает атмосферный воздух. Происходит смешение газообразного топлива с атмосферным воздухом, причем за счет ионизации топливного газа увеличиваются силы молекулярного взаимодействия между ним и воздухом, что приводит к более равномерному распределению топливного газа в топливной смеси.

После смешивания топливного газа с воздухом топливная смесь поступает в камеру сгорания, где и происходит процесс сгорания. При этом за счет равномерного распределения молекул углеводородного топлива и молекул кислорода в объеме топливной смеси происходит полное сгорание топлива с выделением CO₂ и H₂O - углекислого газа и воды, чем и достигается технический результат.

Таким образом, предлагаемое устройство для подачи топлива в двигатели внутреннего сгорания позволяет решить проблему загрязнения окружающей среды и снизить потребление топлива для двигателей внутреннего сгорания на жидком углеводородном топливе. Причем внедрение предлагаемого устройства не требует значительных капитальных затрат на изменение производственного процесса по изготовлению двигателей внутреннего сгорания, т.к. основные детали и узлы двигателя остались без изменения, достаточно дополнить имеющиеся конструкции незначительными изменениями.

Изобретение может быть использовано в системах питания двигателей внутреннего сгорания. Устройство содержит топливный бак, соединенный своим выходом с входом топливного насоса, топливный насос, соединенный своим выходом с камерой газообразования, камеру газообразования, подсоединенную своим выходом к устройству для подачи газа, устройство для подачи газа, подсоединенное своим выходом к смесителю, устройство для подачи воздуха, соединенное своим входом с атмосферой, а выходом со смесителем, смеситель, соединенный своим выходом с полостью камеры сгорания. Жидкое углеводородное топливо перед смешиванием с атмосферным воздухом переводится в газообразное состояние. В камере газообразования расположены электроды, подсоединенные к сети высокого напряжения двигателя, входной клапан выполнен с возможностью открытия при давлении жидкости на входе клапана, равном давлению жидкости с выхода топливного насоса и закрытия при превышении этого давления. Выходной клапан настроен на закрытие при давлении в камере, равном давлению топлива на выходе и открытие при превышении этого давления. Жидкое углеводородное топливо переводится в газообразное состояние и ионизируется путем пропускания через электрическую дугу при отсутствии кислорода в камере. Технический результат заключается в создании устройства с пониженным расходом топлива для питания топливом экологически чистого двигателя внутреннего сгорания. 4 ил.

Устройство для подачи топлива в двигатели внутреннего сгорания, содержащее топливный бак, соединенный своим выходом с входом топливного насоса, топливный насос, соединенный своим выходом с камерой газообразования, камеру газообразования, подсоединенную своим выходом к устройству для подачи газа, устройство для подачи газа, подсоединенное своим выходом к смесителю, устройство для подачи воздуха, соединенное своим входом с атмосферой, а выходом со смесителем, смеситель, соединенный своим выходом с полостью камеры сгорания, причем жидкое углеводородное топливо перед смешиванием с атмосферным воздухом переводится в газообразное состояние, отличающееся тем, что в камере газообразования расположены электроды, подсоединенные к сети высокого напряжения двигателя, входной клапан, выполненный с возможностью открытия при давлении жидкости на входе клапана, равном давлению жидкости с выхода топливного насоса, и закрытия при превышении этого давления и выходной клапан, настроенный на закрытие при давлении в камере, равном давлению топлива на выходе, и открытие при превышении этого давления, причем жидкое углеводородное топливо переводится в газообразное состояние и ионизируется путем пропускания через электрическую дугу при отсутствии кислорода в камере.