ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к встроенным топливным форсункам и запальным свечам и связанным с ними компонентам для хранения, впрыска и воспламенения различных видов топлива.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Возобновляемые источники энергии, необходимые для изготовления замещающей энергии в различных формах, такой как электроэнергия, водород, моторные спирты и метан, являются непостоянными. Солнечная энергия действует только в дневное время, и ее дневная концентрация меняется в зависимости от сезона и погодных условий. Энергия ветра в большинстве областей является неустойчивой, и ее величина сильно меняется. Ресурсы падающей воды зависят от сезона и подвержены обширному истощению из-за засухи. Биомасса на большей части земной суши варьируется от сезона к сезону и истощается в засуху. Во всем мире значительная энергия, которую можно было бы извлечь гидроэлектростанциями, ветроэлектростанциями, преобразованием биомассы и солнечными коллекторами, тратится впустую из-за нехватки практических способов сохранения кинетической энергии, топлива и/или электроэнергии до момента ее использования.
Население мира и потребность в энергии выросли до предела, за которым нефти требуется больше, чем может быть произведено. Будущие объемы производства будут уменьшаться, в то время как расширение потребностей увеличивающегося населения и рост зависимости от энергоемких товаров и услуг будут ускоряться. Это будет наращивать скорость истощения ископаемых ресурсов. Города страдают от смога, вызванного сжиганием ископаемого топлива. Использование в нетопливных целях природного газа, включая жидкие углеводороды, полученные из природного газа, такие как этан, пропан и бутан, экспоненциально растет в частности для изготовления упаковки, тканей, ковровых покрытий, красок и оборудования, которое в значительной степени содержит термопластичные и термореактивные полимерные материалы.
Уголь имеет относительно низкое отношение водорода к углероду. Нефть имеет более высокое отношение водорода к углероду, и природный газ имеет самое высокое отношение водорода к углероду из всех ископаемых углеводородов. Используя нефть в качестве репрезентативного носителя, можно сказать, что мировые темпы сжигания ископаемых углеводородов в настоящее время превышают эквивалент объемом 200 миллионов баррелей (31800 миллионов литров) нефти в день.
Мировая добыча нефти постоянно растет для удовлетворения растущих потребностей, но темпы разведки нефтяных месторождений отстают от темпов ее добычи. Достигнут максимальный уровень добычи нефти, и темпы ее добычи в почти всех известных месторождениях неизменно падают. После достижения пика добычи нефти мировая экономика переживает падение в каждой энергоемкой и связанной с нефтехимией отрасли производства. Борьба за оставшиеся запасы ископаемого топлива и использование нефти в качестве топлива и смазки для боевых машин явились причиной Первой и Второй мировых войн, а также всех последующих войн. Эквивалентная замена ископаемого топлива в объеме 200 миллионов баррелей (31800 миллионов литров) нефти каждый день потребует усовершенствования фактически каждого практического подхода к изготовлению, распределению, хранению и использованию возобновляемой энергии.
Загрязнения воздуха и воды, вызванные добычей и сжиганием ископаемого топлива, в настоящее время отравляет каждый большой город с пригородами, а также рыбные угодья, сельские районы и леса. Отравление ртутью и другими тяжелыми металлами рыбных угодий и плодородных почв все больше является следствием сжигания угля. Глобальные изменения климата, проявляющиеся в мощных ураганах и торнадо, обильных ливнях, и увеличение убытков от вызванных молниями пожаров в лесах и городах, тесно связаны с увеличением концентрации в атмосфере "парниковых" газов, выделяющихся при сжигании ископаемого топлива. Увеличение сбора солнечной энергии парниковыми газами, присутствующими в атмосфере, увеличивает работу, которую совершает глобальная атмосферная машина, включая повышенное испарение морской воды, таяние ледников и полярных ледяных шапок, с последующими чрезвычайными метеорологическими явлениями, которые приводят к огромным потерям созданных человечеством ценностей и природных ресурсов.
Предшествующие попытки использования мультитопливных вариантов, включая водород, генераторный газ, и топлива с более высоким отношением водорода к углероду, такого как метан, топливные спирты и различные другие альтернативные виды топлива наряду с бензином и дизельным топливом или вместо них, сталкивались с различными проблемами, которые не могли решить, причем эти попытки оказались дорогими, приводили к нежелательным результатам и часто вызывали ухудшение характеристик двигателя или его повреждение, включая:
(1) Увеличение собственного веса для повышения степени сжатия и соответствующих требований для более дорогих, более прочных и более тяжелых поршней, шатунов, коленчатых валов, подшипников, маховиков, блоков двигателя и опорной конструкции для приемлемой выработки энергии и таким образом более тяжелых рессор подвески, амортизаторов, стартеров, батарей, и т.п.
(2) Необходимость использования более дорогих клапанов, упрочненных седел клапанов и установки в заводских условиях для предупреждения усиленного износа клапанов и седел.
(3) Необходимость использования турбонаддува для компенсации потерь мощности и дорожных качеств автомобиля из-за уменьшения удельной энергии топлива и для повышения ухудшенных объемного и теплового КПД.
(4) Многоступенчатое регулирование давления газообразного топлива с максимально тонкой фильтрацией и чрезвычайно небольшим допуском на изменение качества топлива, включая давление пара, а также и октановое и цетановое числа.
(5) Теплообменники в системе охлаждения двигателя для предотвращения замерзания в зимний период регулятора давления газообразного топлива.
(6) Дорогие и громоздкие системы управляемого соленоидом клапана отключения бака (TSOV) и редукционного клапана (PRD).
(7) Значительно увеличенные системы для регулирования расхода.
(8) Остаточная капельная подача топлива в бесполезные периоды времени, а также в периоды действия обратного вращающего момента.
(9) Остаточная капельная подача топлива во вредоносные периоды времени, такие как выхлопной такт, влекущая за собой снижение экономии топлива и взывающая повреждение двигатели или выхлопной системы.
(10) Ухудшение характеристик двигателя или его повреждение из-за раннего воспламенения и детонации.
(11) Перебои в работе двигателя или его повреждение из-за неточного соблюдения вязкости топлива, давления пара, октанового или цетанового чисел и скорости сгорания.
(12) Ухудшение характеристик двигателя или его повреждение из-за смывания топливом, испарения и выгорания масляной пленки со стенок цилиндра и кольцевых или роторных уплотнений.
(13) Невозможность предотвращения формирования оксидов азота во время сгорания.
(14) Невозможность предотвращения формирования макрочастиц из-за неполного сгорания.
(15) Невозможность предотвращения загрязнения из-за формирования аэрозоля из смазки в верхних областях цилиндров.
(16) Невозможность предотвращения перегрева поршней, стенок цилиндра и клапанов, вызванного увеличением трения, и ухудшения характеристик.
(17) Невозможность предотвращения взывающей повреждения обратной вспышки во впускном коллекторе и компонентах воздушного фильтра.(18) Невозможность предотвращения вызывающих повреждения воспламенения и/или взрывов в выхлопной системе.
(19) Невозможность предотвращения перегрева компонентов выхлопной системы.
(20) Невозможность предотвращения блокировки паров топлива и вытекающих из нее перебоев в работе или отказа двигателя.
Кроме того, для топлива с низкой удельной энергоемкостью требуются специальные топливные баки. К резервуарам-хранилищам, предназначенным для бензина, пропана, природного газа и водорода, предъявляются разные требования, соответствующие широкому разнообразию химических и физических свойств каждого вида топлива. Для каждого вида топлива, которое использует транспортное средство, требуется отдельный топливный бак. Такой подход с отдельным баком для каждого вида топлива требует значительного места, приводит к увеличению веса, требует дополнительного усиления пружин и амортизаторов, смещает центр тяжести и центр осевого давления и увеличивает затраты.
В традиционных решениях дозированная подача в двигатель альтернативных видов топлива, таких как бензин, метанол, этиловый спирт, пропан, этан, смесь бутан-водород или метан, может быть достигнута с использованием по меньшей мере одного газового карбюратора, топливных форсунок, расположенных в корпусе дроссельных заслонок, или топливных форсунок для фазированной поцилиндровой подачи топлива. Потеря мощности, вызванная каждым из указанных традиционных подходов, варьируется из-за большого процентного содержания объема впускного воздуха, который занимают расширяющиеся молекулы газообразного топлива.Таким образом, при уменьшении подачи впускного воздуха сгорает меньше топлива и вырабатывается меньше энергии.
При нормальных температуре и давлении (НТП) газообразный водород занимает объем, который в 2800 раз больше объема жидкого бензина, обеспечивающего при сгорании равную энергию. Газообразный метан занимает объем примерно в 900 раз больше объема жидкого бензина, обеспечивающего равную энергию сгорания.
Создание устройств для прокачки таких больших объемов газообразного водорода или метана через вакуумную область впускного коллектора, через впускной клапан или впускные клапаны и подачи в вакуумную область цилиндра во время впускного периода, а также для выполнения всего этого одновременно с подачей достаточного количества воздуха для поддержания полного сгорания топлива и получения тепловой энергии, эквивалентной характеристикам бензина, представляет собой очень сложную задачу, которая до сих пор полностью не решена. Некоторая степень восстановления мощности может быть достигнута путем использования двигателей с большим рабочим объемом. Другой подход требует использования дорогих, более тяжелых, более сложных и менее надежных компонентов для достижения намного более высоких степеней сжатия и/или турбонаддува впускной системы. Однако указанные подходы сокращают срок службы двигателя и намного увеличивают исходные затраты и/или затраты на техническое обслуживание, если основная конструкция двигателя не обеспечивает соответствующие конструкционные профили для повышения жесткости и прочности.
Общеизвестно, что бензиновые двигатели являются неэффективными. Основная причина состоит в том, что бензин смешивается с воздухом для формирования однородной смеси, которую подают в камеру сгорания с дроссельным регулированием во время впускного цикла. Затем этот заряд гомогенной смеси сжимают почти до состояния верхней мертвой точки (TDC) и воспламеняют свечой зажигания. Гомогенное сгорание заряда смеси вызывает непосредственную передачу тепла от продуктов сгорания с температурой от 4500°F до 5500°F (от 2482°C до 3037°C) к головке цилиндра, стенкам цилиндра и поршню или соответствующим компонентам роторных двигателей. При этом защитные пленки смазки сжигаются или испаряются, вызывая загрязнение окружающей среды, а цилиндр и поршневые кольца изнашиваются из-за нехватки смазки. При гомогенном сгорании заряда смеси также происходит потеря энергии, поскольку тепло передается к охлаждаемым поверхностям камеры сгорания, температура которых поддерживаются на относительно низком уровне от 160°F до 240°F (от 71°C до 115°C) жидкостной и/или воздушной системами охлаждения.
Использование водорода или метана в качестве гомогенного заряда топливной смеси вместо бензина представляет собой сложную задачу, имеющую дорогостоящее решение, требующее использования достаточно емкого резервуара для горючего для компенсации существенных потерь энергии, которые являются типичными для бензиновых двигателей. Использование такого более чистого сгорания и потенциально многочисленных видов газообразного топлива вместо дизельного топлива является еще более трудной задачей. Дизельное топливо имеет более высокую энергоемкость по сравнению с бензином. Дополнительные трудности связаны с тем, что газообразные виды топлива, такие как водород, генераторный газ, метан, пропан, бутан и топливные спирты, такие как этиловый спирт или метанол, имеют недостаточно высокое цетановое число и воспламеняются в быстро сжатом воздухе не так быстро, как это требуется для эффективной работы дизельного двигателя. Форсунки для дизельного топлива предназначены для работы с защитной пленкой смазки, которую создает дизельное топливо. Кроме того, форсунки для дизельного топлива только циклически пропускают относительно малый объем топлива, который при нормальных температуре и давлении примерно в 3000 раз меньше объема водорода, необходимого для получения эквивалентного количества теплоты.
Большинство современных двигателей проектируют с целью достижения минимального собственного веса и для работы по существу с высоким коэффициентом избытка кислорода в гомогенных смесях воздуха и топлива для уменьшения формирования оксидов азота путем ограничения пиковой температуры сгорания. Для достижения минимального собственного веса используются цилиндры меньшего размера и повышенные скорости поршней. Высокие скорости вращения двигателя для передачи тягового усилия уменьшают до необходимых скоростей вращения вала посредством трансмиссии с высоким передаточным числом и/или дифференциального блока шестерен.
Работа с высоким коэффициентом избыточности кислорода требует подачи большого количества воздуха, и головки камер сгорания часто имеют два или три впускных клапана и два или три выпускных клапана. Такая конструкция оставляет мало места в области головки для топливной форсунки непосредственного впрыска в цилиндр или свечи зажигания. Управление высокоскоростными клапанами посредством верхних распредвалов дополнительно усложняет конструкцию и уменьшает пространство для размещения топливных форсунок непосредственного впрыска и свечей зажигания. Проектировщики фактически использовали все доступное пространство над поршнями для клапанов и устройств управления клапанами, и оставили место для того, чтобы с трудом втиснуть свечи зажигания для воспламенения бензина или дизельные форсунки для двигателей с воспламенением путем сжатия.
Таким образом, чрезвычайно трудно доставить посредством любого трубопровода, имеющего большее поперечное сечение, чем свеча зажигания бензинового двигателя или топливная форсунка дизельного двигателя, равную энергию с использованием альтернативных видов топлива, таких как водород, метан, пропан, бутан, этиловый спирт или метанол, которые имеют более низкую теплотворную способность на единицу объема по сравнению с бензином или дизельным топливом. Проблема ограниченного доступного пространства для свечей зажигания или дизельных форсунок усугубляется большими тепловыми нагрузками, действующими на головку блока цилиндров, из-за большого прироста тепла от трех-шести клапанов, которые передают тепло от камеры сгорания к головке цилиндров и компонентам, которые к ней относятся. Дополнительное усугубление пространственных проблем и проблем, связанных с тепловыми нагрузками происходит из-за большого тепловыделения в тесной основной области, вызванного трением кулачков, клапанных пружин и толкателей клапана при работе двигателя на высоких оборотах.
Во время промышленной революции поршневые двигатели различными способами стали причиной изменений и по существу обеспечили преобразование энергии. В настоящее время поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие по принципу компрессионного воспламенения и использующие высокоцетановое дизельное топливо, приводят в действие большую часть машин в сельском хозяйстве, горной промышленности, рельсовых и морских тяжелогрузных перевозках и стационарных энергетических системах наряду с новыми усилиями, предпринимаемыми в области создания двигателей меньшего размера с более высокой скоростью движения поршней для повышения топливной эффективности пассажирских и легкогрузных автотранспортных средств. Поршневые двигатели внутреннего сгорания с низкой степенью сжатия с искровым зажиганием менее дороги в изготовлении и используют высокооктановые виды топлива для приведения в действие большей части растущей совокупности из 900 миллионов пассажирских и легкогрузных автотранспортных средств.
Применение высокооктановых и высокоцетановых видов углеводородного топлива в традиционных двигателях внутреннего сгорания создает недопустимо высокие уровни эмиссии, загрязняющей окружающую среду, такой как несгоревшие углеводороды, макрочастицы, оксиды азота, монооксид углерода и диоксид углерода.
Традиционное искровое зажигание использует высокое напряжение, но обеспечивает низкую энергию ионизации воздушно-топливной смеси. Традиционные значения энергии искры зажигания в диапазоне примерно от 0,05 джоуля до 0,15 джоуля являются типичными для обычных атмосферных (без наддува) двигателей, оборудованных свечами зажигания, которые работают со степенями сжатия 12:1 или меньше. При более высоком давлении окружающей среды в искровом зазоре соответствующее напряжение для создания такой ионизации должно быть увеличено. Факторы, требующие более высокое напряжение, включая сниженное соотношение компонентов топливной смеси (обедненную смесь) и более широкий искровой зазор, который может быть необходим для воспламенения, ведут к увеличению эффективной степени сжатия, турбонаддува и снижению величины сопротивления впуску воздуха в камеру сгорания. Известные системы искрового зажигания не обеспечивают адекватную выработку напряжения для надежного искрового зажигания например в дизельных двигателях со степенями сжатия от 16:1 до 22:1 и зачастую не обеспечивают адекватное напряжение для недросселируемых двигателей, в которых в целях увеличения выработки энергии и повышения экономии топлива используется турбонаддув.
Невозможность обеспечения адекватного напряжения в искровом зазоре чаще всего вытекает из недостаточной электрической прочности компонентов системы воспламенения, таких как фарфоровый изолятор свечи зажигания и провода высокого напряжения.
Высокое напряжение, приложенное к традиционной свече зажигания, которая по существу расположена в стенке камеры сгорания, вызывает тепловые потери воспламеняющихся гомогенных воздушно-топливных смесей, которые расположены вблизи всех поверхностей камеры сгорания, включая поршень, стенку цилиндра, головку цилиндра и клапаны. Указанные тепловые потери уменьшают эффективность двигателя и могут вызвать повреждение компонентов камеры сгорания, которые подвержены окислению, коррозии, тепловой усталости, увеличенному трению из-за теплового расширения, деформации, короблению и износу из-за потери свойств перегретых или окисленных смазывающих пленок.
Даже если искра зажигания у поверхности камеры сгорания вызывает задержанное сгорание гомогенной воздушно-топливной смеси, ограниченная скорость распространения факела задает предел для полного сгорания. Чем больше количество тепла, которое теряется на поверхности камеры сгорания, тем меньше возможность полного сгорания. Указанная нежелательная ситуация связана с проблемой повышенной концентрации в выхлопном газе несгоревшего топлива, например паров углеводородов, углеводородных макрочастиц и моноксидов углерода.
В результате усилий, направленных на управление соотношением компонентов топливной смеси и обеспечение обедненных условий сгорания для повышения топливной экономичности и снижения пиковой температуры сгорания и возможно для уменьшения образования оксидов азота, возникают многочисленные дополнительные проблемы. Например, топливные смеси с обедненным соотношением компонентов сгорают медленнее по сравнению со стехиометрическими или обогащенными топливными смесями. Кроме того, более медленное сгорание требует больше времени для осуществления двух- или четырехтактной работы двигателя и таким образом снижает потенциальную проектную удельную мощность двигателя. При выборе природного газа в качестве замены бензинового или дизельного топлива следует признать тот факт, что природный газ воспламеняется намного медленнее бензина, и что природный газ не облегчает компрессионное воспламенение, если его используют вместо дизельного топлива.
Кроме того, в современных двигателях оставлено слишком мало пространства для доступа к камере сгорания, оснащенной известными электрическими изолирующими компонентами, имеющими достаточную электрическую прочность и надежность для защиты компонентов, подверженных циклическому приложению высокого напряжения, коронных разрядов и наслаиваемого ухудшения характеристик из-за ударной нагрузки, вибрации и резких тепловых циклических перепадов между высокой и низкой температурами. Кроме того, известные подходы к сгоранию гомогенного заряда топливной смеси с послойным распределением не в состоянии преодолеть ограничения, относящиеся к октановой или цетановой зависимости, и не в состоянии устранить просачивание топлива в течение вредоносных периодов времени или обеспечить соответствующую скорость сгорания для повышения тепловой эффективности, а также не в состоянии предотвратить образование оксидов азота, вызванное сгоранием.
Для обеспечения мультитопливного использования наряду с уменьшением собственного веса и увеличенным впуском воздуха прежде всего необходимо обеспечить возможность недросселируемого впуска воздуха в камеры сгорания, непосредственного впрыска газообразных, полностью сгорающих и недорогих видов топлива и обеспечить сгорание заряда топливной смеси с послойным распределением вместо бензина и дизельного топлива. Однако перечисленные требования сталкиваются с чрезвычайно сложными проблемами, связанными с обеспечением надежного дозирования изменяющихся в широких пределах параметров, таких как плотности топлива, давления паров и вязкости, для обеспечения последующей точной синхронизации воспламенения и полного сгорания. Для достижения принудительного воспламенения необходимо обеспечить воспламеняемую искрой зажигания воздушно-топливную смесь в относительно небольшом зазоре между электродами свечи зажигания.
Если для формирования заряда топливной смеси с послойным распределением в каждую камеру сгорания топливо подают посредством отдельной топливной форсунки, должны быть выполнены тщательно проработанные условия, такие как мгновенное завихрение, рикошетирование или отбрасывание топлива от поверхностей камеры сгорания в искровой зазор, но указанные подходы всегда вызывают увеличение тепловых потерь на поверхности камеры сгорания, поскольку при этом жертвуют преимуществами концепции заряда топливной смеси с послойным распределением. Если топливом управляет дозирующий клапан, расположенный на расстоянии от камеры сгорания, то происходит "остаточное подтекание" топлива в бесполезные или вредоносные периоды времени, включая периоды действия обратного крутящего момента, противоположного рабочему выходному крутящему моменту. Любой из указанных подходов неизбежно вызывает "проливание" либо разбрызгивание большей части топлива на охлажденные стенки цилиндра с целью доставки в искровой зазор некоторого уменьшенного количества топлива в виде воспламеняемой искрой воздушно-топливной смеси в точное время желательного воспламенения. Это приводит к тепловым потерям, потере смазки стенками цилиндра, деформации цилиндров и поршней, вызванной повышенным выделением тепла из-за трения, и потере теплового КПД из-за тепловых потерь, обусловленных работой, совершаемой расширяющимися газами, действующими на нерасширяющиеся компоненты двигателя.
Попытки сформировать завихрение воздуха, поступающего в камеру сгорания, и ввести топливо с низкой плотностью в завихренный воздух страдают двумя существенными недостатками. Возбуждение завихрения вызывает сопротивление потоку воздуха в камеру сгорания и таким образом уменьшает количество воздуха, который поступает в камеру сгорания, и следовательно уменьшает объемную эффективность. После воспламенения продукты сгорания быстро переносятся вихревым потоком на поверхности камеры сгорания, и неблагоприятное действие тепловых потерь усугубляется.
Прошлые попытки обеспечить двигатели внутреннего сгорания мультитопливными возможностями, например возможностью работать на топливе различных видов, таких как бензин, природный газ, пропан, топливные спирты, генераторный газ и водород, оказались чрезвычайно сложными и в высшей степени неудачными. Прошлые подходы привели к отказу от настройки на все виды топлива и отмене способов оптимизации для конкретных топливных характеристик. Такие попытки обнаружили склонность работать со сбоями и требовали использования очень дорогих компонентов и средств управления. Указанные трудности усугубляются значительно различающимися значениями удельной энергии таких видов топлива, широким диапазоном давлений пара и вязкостей, и других различий в физических свойствах между газообразными видами топлива и жидким топливом. Кроме того, требуется мгновенная перенастройка угла опережения зажигания, поскольку метан сгорает медленнее всех перечисленных выше видов топлива, в то время как водород сгорает примерно в 7-10 раз быстрее любого другого из перечисленных видов топлива.
Дополнительные проблемы возникают между использованием низкотемпературных жидкостей или смесей и хранением горючего сжатого газа того же самого топливного вещества. Например, жидкий водород хранят при температуре -420°F (-252°C) при атмосферном давлении, при этом неизолированные питающие трубопроводы, регуляторы давления и форсунки вызывают конденсацию атмосферного водяного пара, замораживают его и превращают в лед, создавая опасность повреждения в результате их контакта с атмосферной влагой. Низкотемпературный метан создает подобные проблемы, связанные с образованием льда и опасностью повреждения. Схожим образом указанные низкотемпературные текучие среды также вызывают сбои в работе и забивку обычных дозирующих отверстий, в частности небольших отверстий.
Очень сложная проблема, которая до сих пор остается нерешенной, состоит в способе быстрой заправки транспортного средства плотным жидким топливом в низкотемпературном состоянии (водородом или метаном) или при температуре окружающей среды (пропаном или бутаном), в способе использования паров топлива таких видов на холостых оборотах или при малой мощности, а также в способе использования жидкой подачи топлива таких видов при высоких уровнях мощности, в соответствии с требованиями выработки энергии.
При атмосферном давлении впрыск низкотемпературного жидкого водорода или метана требует точного дозирования очень малого объема плотной жидкости по сравнению с очень большим объемом подачи газообразного водорода или метана. Кроме того, необходимо обеспечить точное формирование, воспламенение и сгорание заряда топливной смеси с послойным распределением топлива и воздуха независимо от конкретного вида топлива, которое подают в камеру сгорания.
Достижение существенных целей, включая максимально высокий тепловой КПД, максимально высокий механический КПД, максимально высокий объемный КПД и максимально длинный срок службы двигателя с каждым видом топлива требует точного управления синхронизацией подачей топлива, заполнением камеры сгорания и конфигурацией распределения впущенного топлива, а также точной установкой угла опережения зажигания для оптимизации использования воздуха и поддержания избыточного количества воздуха для изоляции процесса сгорания работосовершающего расширяющегося носителя.
Для эффективного удовлетворения энергопотребления мировой экономики необходимо усовершенствовать изготовление, транспортировку и хранение метана и водорода фактически всеми известными способами. Галлон низкотемпературного жидкого метана при температуре -256°C обеспечивает удельную энергоемкость 89000 БТЕ (британских тепловых единиц)/галлон (5902 ккал/дм3), т.е. примерно на 28% меньше, чем галлон бензина. Жидкий водород при температуре -252°C обеспечивает лишь примерно 29700 БТЕ/галлон (1967,3 ккал/дм3), или на 76% меньше, чем бензин.
Уже давно назрела потребность во взаимозаменяемом использовании метана, водорода или смеси метана и водорода в форме низкотемпературных жидкостей или сжатых газов вместо бензина в двигателях с искровым воспламенением. Но эта задача до сих пор не имеет удовлетворительного решения, в результате чего огромное количество транспортных средств вынуждено потреблять бензин даже при том, что затраты на выработку метана и различных других форм из возобновляемого водорода гораздо ниже затрат на выработку бензина. Схожим образом давно существует потребность во взаимозаменяемом использовании метана, водорода или смеси метана и водорода в форме низкотемпературных жидкостей или сжатых газов вместо дизельного топлива в двигателях с компрессионным воспламенением, но эта задача остается еще более трудноразрешимой, и большая часть дизельных двигателей до сих пор потребляет загрязняющее окружающую среду и дорогое дизельное топливо.
Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создана топливная форсунка, выполненная с возможностью впрыскивания топлива в камеру сгорания и содержащая: корпус, имеющий основную часть, противоположную сопловой части; топливопровод, проходящий через корпус от основной части до сопловой части; генератор усилия, расположенный в основной части; первый клапан, расположенный в основной части, причем первый клапан выполнен с возможностью перемещения в ответ на приведение в действие со стороны генератора усилия для перемещения из закрытого положения в открытое положение для ввода топлива в топливопровод; и второй клапан, расположенный в сопловой части, причем второй клапан выполнен с возможностью деформирования в ответ на давление в топливопроводе для деформирования из закрытого положения в открытое положение для впрыска топлива в камеру сгорания.
Предпочтительно, первый клапан выполнен из ферромагнитного материала, а второй клапан выполнен из эластомерного полимера.
Предпочтительно, первый клапан содержит проходящий через него топливный канал, причем топливо протекает через клапан по топливному каналу при перемещении клапана из закрытого положения в открытое положение.
Предпочтительно, клапан содержит концевую часть в целом с конической или усеченной конической формой, обращенную к сопловой части.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит кожух, в котором по меньшей мере частично расположен генератор усилия, причем кожух содержит топливное входное отверстие для ввода топлива в кожух и выходное топливное отверстие для обеспечения возможности выхода топлива из кожуха.
Предпочтительно, в закрытом положении первый клапан блокирует выходное топливное отверстие, а в открытом положении первый клапан открывает выходное топливное отверстие и обеспечивает возможность протекания топлива из выходного топливного отверстия в топливопровод.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит диэлектрический изолятор, проходящий через часть корпуса коаксиально с топливопроводом.
Предпочтительно, топливопровод содержит топливный канал, сформированный в изоляторе и проходящий продольно вдоль изолятора.
Предпочтительно, размер топливного канала уменьшается при его приближении к сопловой части.
Предпочтительно, топливопровод содержит несколько топливных каналов, сформированных в наружной поверхности изолятора и по окружности расположенных на изоляторе на расстоянии друг от друга.
Предпочтительно, диэлектрический изолятор является первым диэлектрическим изолятором, причем форсунка дополнительно содержит второй диэлектрический изолятор, проходящий через часть корпуса коаксиально и расположенный на расстоянии от первого изолятора.
Предпочтительно, топливопровод выполнен между первым изолятором и вторым изолятором.
Предпочтительно, топливопровод в целом проходит параллельно продольной оси корпуса, причем форсунка дополнительно содержит несколько отверстий для впрыска, выполненных в сопловой части, которые сообщаются по текучей среде с топливопроводом, при этом отдельные отверстия для впрыска в целом непараллельны продольной оси корпуса.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит магнитную полюсную часть, расположенную в основной части, причем полюсная часть расположена на расстоянии от клапана, если клапан находится в закрытом положении.Предпочтительно, генератор усилия намагничивает полюсную часть для перемещения первого клапана из закрытого положения в открытое положение.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит смещающий элемент, расположенный между полюсной частью и клапаном, причем смещающий элемент, выполненный из немагнитного материала, вызывает перемещение клапана в направлении от полюсной части.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит электрический проводник, проходящий продольно через центральную часть корпуса, причем проводник выполнен с возможностью соединения с источником энергии для зажигания.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит зажигающий элемент, расположенный в сопловой части и функционально соединенный с проводником.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит по меньшей мере одно или несколько оптических волокон, коаксиально расположенных в проводнике, причем по меньшей мере одно или несколько оптических волокон выполнены с возможностью обнаружения по меньшей мере одного параметра камеры сгорания.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создана топливная форсунка, выполненная с возможностью впрыскивания топлива в камеру сгорания и содержащая: корпус, имеющий основную часть, противоположную сопловой части, причем основная часть принимает топливо в корпус, а сопловая часть выполнена с возможностью расположения рядом с камерой сгорания; кожух, расположенный в основной части, в котором по меньшей мере частично размещен генератор усилия, причем кожух содержит входное топливное отверстие и выходное топливное отверстие, при этом входное топливное отверстие выполнено с возможностью приема топлива от топливного источника, а выходное топливное отверстие выполнено с обеспечением возможности выхода топлива из кожуха; топливопровод, сообщающийся по текучей среде с выходным топливным отверстием в кожухе, проходящий продольно через корпус от основной части к сопловой части; первый клапан, расположенный рядом с генератором усилия, причем первый клапан выполнен с возможностью перемещения в ответ на приведение в действие со стороны, генератора усилия для перемещения между закрытым положением и открытым положением и таким образом обеспечения возможности протекания топлива из выходного топливного отверстия в топливопровод; и второй клапан, расположенный в сопловой части, причем второй клапан выполнен с возможностью перемещения в ответ на заданное давление топлива в топливопроводе для перемещения в целом радиально наружу от продольной оси корпуса между закрытым положением и открытым положением и таким образом впрыскивания топлива в камеру сгорания.
Предпочтительно, первый клапан является ферромагнитным клапаном, а второй клапан является деформируемым полимерным клапаном.
Предпочтительно, корпус имеет продольную ось, причем первый клапан перемещается в целом параллельно продольной оси между закрытым и открытым положениями, а второй клапан перемещается в целом радиально во внешнем направлении от продольной оси между закрытым и открытым положениями.Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит проводник, проходящий продольно через корпус от основной части до сопловой части, причем проводник выполнен с возможностью соединения с источником энергии для зажигания; и по меньшей мере один из зажигающих элементов функционально соединен с проводником и выполнен с возможностью осуществления зажигания в камере сгорания для воспламенения топлива.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит по меньшей мере один отслеживающий элемент, коаксиально расположенный относительно проводника и проходящий от основной части к сопловой части.
Согласно третьему объекту настоящего изобретения создана топливная форсунка, выполненная с возможностью впрыскивания топлива в камеру сгорания и содержащая: корпус, имеющий основную часть, противоположную сопловой части; клапан, расположенный в сопловой части, причем клапан выполнен с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением; исполнительное устройство, функционально соединенное с клапаном и проходящее от клапана к основной части, причем исполнительное устройство перемещает клапан в закрытое положение, если на исполнительное устройство по меньшей мере частично действует растягивающее усилие; и тормоз исполнительного устройства, выполненный с возможностью входа в контакт с исполнительным устройством, причем исполнительное устройство выполнено с возможностью перемещения между первым положением и вторым положением, при этом в первом положении тормоз исполнительного устройства прикладывает сжимающее усилие к исполнительному устройству для по меньшей мере частичного обездвиживания исполнительного устройства под действием растягивающего усилия для удерживания клапана в закрытом положении, а во втором положении тормоз исполнительного устройства освобождает исполнительное устройство.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит генератор усилия, который вызывает перемещение тормоза исполнительного устройства между первым и вторым положениями.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит ограничитель, соединенный с исполнительным устройством, причем ограничитель выполнен с возможностью входа в контакт с тормозом исполнительного устройства для ограничения расстояние, на которое клапан перемещается из закрытого положения в открытое положение.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит ограничитель, соединенный с исполнительным устройством; и смещающий элемент, расположенный рядом с ограничителем, причем смещающий элемент вызывает перемещение ограничителя в направлении от сопловой части для натяжения исполнительного устройства и по меньшей мере частичного удерживания клапана в закрытом положении.
Предпочтительно, топливная форсунка дополнительно содержит притягивающий элемент, соединенный с исполнительным устройством; и неподвижный ферромагнитный диск, соединенный с основной частью, причем притягивающий элемент смещен к диску в направлении от сопловой части для натяжения исполнительного устройства и по меньшей мере частичного удерживания клапана в закрытом положении.
Согласно четвертому объекту настоящего изобретения создан способ работы топливной форсунки для впрыскивания топлива в камеру сгорания, при котором: вводят топливо в основную часть топливной форсунки, приводят в действие первый клапан в направлении, в целом параллельном продольной оси топливной форсунки, для обеспечения возможности протекания топлива из основной части в топливопровод, проходящий от основной части к сопловой части топливной форсунки, и приводят в действие второй клапан в направлении, в целом непараллельном продольной оси для дозированной подачи топлива из топливопровода в камеру сгорания.
Предпочтительно, приведение в действие первого клапана включает перемещение первого клапана из закрытого положения в открытое положение путем использования соленоидной обмотки.
Предпочтительно, приведение в действие второго клапана включает перемещение второго клапана путем по меньшей мере частичного деформирования второго клапана в ответ на заданное давление в топливопроводе.
Предпочтительно, второй клапан содержит золотниковый клапан, коаксиально расположенный на сопловой части, причем приведение в действие второго клапана включает радиальное расширение по меньшей мере части золотникового клапана.
Предпочтительно, приведение в действие первого клапана включает электромагнитное приведение в действие первого клапана, а приведение в действие второго клапана включает приведение в действие второго клапана посредством текучей среды.
Предпочтительно, приведение в действие второго клапана включает автоматическое приведение в действие второго клапана в ответ на заданное давление в топливопроводе.
Предпочтительно, дополнительно воспламеняют топливо в камере сгорания с использованием зажигающего элемента, расположенного в сопловой части.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 схематически показан разрез вида сбоку встроенной форсунки/запальной свечи, выполненной в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 2 показан вид сбоку системы, выполненной в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 3A-3D показаны репрезентативные шаблоны послойного сгорания топлива, которое может быть введено форсунками, выполненными в соответствии с вариантами реализации изобретения.
На фиг. 4 показан продольный разрез узла компонента согласно варианту реализации, которым управляют в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 5 показан вид с торца узла компонента, показанного на фиг. 4, выполненного в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 6 показан продольный разрез узла компонента согласно варианту реализации, которым управляют в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 7 показан вид с торца узла компонента, показанного на фиг. 6, выполненного в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 8A и 8B показаны узлы блока клапанов, выполненные в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 9 схематически показано расположение схемы управления топливом согласно одному варианту реализации изобретения.
На фиг. 10 показан продольный разрез узла компонента согласно варианту реализации, которым управляют в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 11 показан вид с торца узла компонента, показанного на фиг. 10, выполненного в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 12 показан вариант выполнения форсунки, которой управляют в соответствии с принципами настоящего изобретения.
На фиг. 13 показан увеличенный вид с торца уплощенного шланга, показанного на фиг. 10.
На фиг. 14 схематически показаны разрезы некоторых компонентов системы, которой управляют в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 15A-15D показана работа устройства согласно настоящего изобретения в соответствии с его принципами.
На фиг. 16 показан частичный разрез вида сбоку форсунки, выполненной в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 17A показан вид сбоку изолятора или диэлектрического корпуса, выполненного в соответствии с одним вариантом реализации изобретения, и на фиг. 17B показан разрез вида сбоку по существу вдоль линий 17B-17B, показанных на фиг. 17A.
На фиг. 18A и 18B показаны разрезы видов сбоку по сути вдоль линий 18-18, показанных на фиг. 16, показывающие изолятор или диэлектрический корпус, выполненный в соответствии с другим вариантом реализации изобретения.
На фиг. 19A и 19B схематически показаны системы для формирования изолятор или диэлектрического корпуса путем сжимающих сил в необходимых областях согласно другому варианту реализации изобретения.
На фиг. 20 и 21 показаны разрезы видов сбоку форсунок, выполненных в соответствии с дополнительными вариантами реализации изобретения.
На фиг. 22A показан вид сбоку узла выравнивания труб в связке, выполненного в соответствии с вариантом реализации изобретения для выравнивания исполнительного устройства, и на фиг. 22B показан разрез вида спереди по существу вдоль линий 22B-22B, показанных на фиг. 22A.
На фиг. 22C показан вид сбоку узла выравнивающей связки, выполненного в соответствии с другим вариантом реализации изобретения, для выравнивания привода, и на фиг. 22D показан разрез вида спереди по существу вдоль линий 22D-22D, показанных на фиг. 22C.
На фиг. 22E показан разрез частичного вида сбоку форсунки, выполненной в соответствии еще с одним вариантом реализации изобретения.
На фиг. 23 показан разрез вида сбоку привода, выполненного в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 24A-24F показаны репрезентативные форсуночные воспламеняющие и регулирующие поток устройства или крышки, выполненные в соответствии с вариантами реализации изобретения.
На фиг. 25A показан перспективный вид, на фиг. 25B - вид сзади и на фиг. 25C - разрез вида сбоку по существу вдоль линий 25C-25C, показанных на фиг. 25B, затворного клапана, выполненного в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 26A показан разрез вида сбоку форсунки, выполненной в соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения, и на фиг. 26B показан вид спереди форсунки, показанной на фиг. 26A, иллюстрирующего устройство для регулировки потока и воспламенения.
На фиг. 27A показан разрез вида сбоку форсунки, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения, и на фиг. 27B схематически показан графическое представление характеристик сгорания, относящихся к форсунке, показанной на фиг. 27A.
На фиг. 28-30A показаны разрезы видов сбоку форсунок, выполненных в соответствии с другими вариантами реализации изобретения.
На фиг. 30B и 30C показаны виды спереди устройств для воспламенения и регулирования потока, выполненных в соответствии с вариантами реализации изобретения.
На фиг. 31 и 32 показаны разрезы видов сбоку форсунок, выполненных в соответствии дополнительными вариантами реализации изобретения.
На фиг. 33A показан разрез вида сбоку, и на фиг. 33B показан вид сзади затворного клапана, выполненного в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 34A показан разрез вида сбоку, на фиг. 34B показан вид сзади, и на фиг. 34C показан вид спереди седла клапана, выполненного в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 35A показан разрез вида сбоку форсунки, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения.
На фиг. 35B показан вид спереди форсунки, показанной на фиг. 35A, иллюстрирующий устройство для воспламенения и регулирования потока, выполненное в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 36A показан разрез частичного вида сбоку форсунки, выполненной в соответствии еще с одним вариантом реализации изобретения.
На фиг. 36B показан вид спереди форсунки, показанной на фиг. 36A, иллюстрирующий устройство для воспламенения и регулирования потока, выполненное в соответствии с вариантом реализации изобретения.
На фиг. 37 схематически показан разрез вида сбоку системы, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения.
На фиг. 38A показан разрез вида сбоку форсунки, выполненной в соответствии еще с одним вариантом реализации изобретения.
На фиг. 38B показан увеличенный подробный вид узла клапана форсунки, показанной на фиг. 38A.
На фиг. 38C показан разрез вида сбоку по существу вдоль линий 38C-38C, показанных на фиг. 38A; на фиг. 38D показан разрез вида сбоку по существу вдоль линий 38D-38D, показанных на фиг. 38A; и на фиг. 38E показан разрез вида сбоку по существу вдоль линий 38E-38E, показанных на фиг. 38A.
На фиг. 38F показан разрез вида сбоку варианта реализации генератора усилий по существу вдоль линий 38F-38F, показанных на фиг. 38A.
На фиг. 39 показан разрез форсунки, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения.
На фиг. 40A показан разрез вида сбоку форсунки, выполненной в соответствии еще с одним вариантом реализации изобретения.
На фиг. 40B показан вид сверху верхней части смещающего элемента форсунки, показанной на фиг. 40A.
На фиг. 41 показан разрез частичного вида сбоку форсунки, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения.
На фиг. 42 показан разрез вида сбоку форсунки, выполненной в соответствии еще с одним вариантом реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящая заявка полностью включает в себя по ссылке объект изобретения, описанного в предварительной патентной заявке США № 12/006774 (ныне патент США № 7628137), поданной 7 января 2008 и поименованной "Многотопливная система для хранения, дозирования и воспламенения топлива". Настоящая заявка полностью включает в себя по ссылке объекты изобретений, описанных в следующих патентных заявках США, поданных одновременно с ней 21 июля 2010 и поименованных: "Узлы привода топливной форсунки и способы их использования и изготовления" (реестр поверенного № 69545-8032US); "Встроенные топливные форсунки и запальные свечи с проводящими кабельными узлами" (реестр поверенного № 69545-8033US); "Формирование заряда топливной смеси в камере сгорания с различными приводами и/или управлением ионизацией" (реестр поверенного № 69545-8034US); "Керамический изолятор и способы его использования и изготовления" (реестр поверенного № 69545-8036US); "Способ и система для термохимической регенерации для насыщения кислородом топлива, например с топливными форсунками для охлажденного топлива" (реестр поверенного № 69545-8037US); и "Способы и системы для уменьшения образования оксидов азота во время сгорания в двигателях" (реестр поверенного № 69545-8038US).
A. КРАТКИЙ ОБЗОР
В настоящей спецификации описаны устройства, системы и способы для обеспечения топливной форсунки, выполненной с возможностью использования с различными видами топлива и с встроенной запальной свечой. Кроме того, в настоящей спецификации описана встроенная система для впрыска топлива и воспламеняющие устройства для использования с двигателями внутреннего сгорания, а также относящиеся к ним системы, узлы, компоненты и способы их изготовления и использования. Например, некоторые из вариантов реализации, описанных ниже, в целом направлены на адаптивные топливные форсунки/запальные свечи, которые могут оптимизировать впрыск и сгорание различных видов топлива на основании условий в камере сгорания. Некоторые подробности сформулированы в следующем описании и показаны на фиг. 1-42 для обеспечения полного понимания различных вариантов реализации изобретения. Однако другие детали, описывающие известные структуры и системы, зачастую связанные с двигателями внутреннего сгорания, форсунками, запальными свечами и/или другими аспектами систем сгорания, не описаны ниже в целях избежания излишнего усложнения описания различных вариантов реализации изобретения. Таким образом, следует понимать, что некоторые из подробностей, сформулированных ниже, приведены для описания следующих вариантов реализации способом, достаточным для помощи специалисту в использовании описанных вариантов реализации. Однако некоторые из подробностей и преимуществ, описанных ниже, не являются необходимыми для практического осуществления некоторых вариантов реализации изобретения.
Многие из подробностей, размеров, углов, форм и других отличительных особенностей, показанных на чертежах, являются простыми иллюстрациями конкретных вариантов реализации изобретения. Соответственно, другие варианты реализации могут иметь другие подробности, размеры, углы и отличительные особенности без отступления от идеи или объема настоящего изобретения. Кроме того, специалисты согласятся, что могут быть осуществлены дополнительные варианты реализации изобретения без некоторых подробностей, описанных ниже.
Ссылка по всему настоящему описанию на "один вариант реализации" или "вариант реализации" означают, что отличительная особенность, структура или характеристика, описанная в связи с указанным вариантом реализации, включены по меньшей мере в один вариант реализации настоящего изобретения. Таким образом, фразы "в одном варианте реализации" или "в варианте реализации", встречающиеся в различных местах настоящего описания, не обязательно относятся к одному и тому же варианту реализации. Кроме того, отличительные особенности, структуры или характеристики могут быть комбинированы любым подходящим способом по меньшей мере в одном варианте реализации. Заголовки, использованные в настоящем описании, приведены только для удобства и не интерпретируют объем или значение заявленного изобретения.
Встроенные форсунки/запальные свечи
На фиг. 1 схематически показан разрез вида сбоку встроенной форсунки/запальной свечи 110 ("форсунка 110"), выполненной в соответствии с вариантом реализации изобретения. Форсунка 110, показанная на фиг. 1, выполнена с возможностью впрыскивания различных видов топлива в камеру 104 сгорания и адаптивного регулирования шаблона и/или частоты впрыскиваний топлива или воспламенений на основании параметров сгорания и условий в камере 104 сгорания. Как подробно описано ниже, форсунка 110 может оптимизировать впрыснутое топливо для быстрого воспламенения и полного сгорания. В дополнение к впрыскиванию топлива, форсунка 110 содержит по меньшей мере одно встроенное средство, выполненное с возможностью воспламенения впрыснутого топлива. Кроме того, форсунка 110 может быть использована для преобразования традиционных двигателей внутреннего сгорания для работы с различными видами топлива. Несмотря на то, что некоторые из отличительных особенностей описанной форсунки 110 в целях иллюстрации показаны схематично, некоторые из указанных схематично показанных отличительных особенностей подробно описаны ниже в связи с различными отличительными особенностями вариантов реализации настоящего изобретения. Соответственно, положение, размер, ориентация и т.п. схематично показанных на фиг. 1 компонентов форсунки, не предназначены для ограничения настоящего изобретения.
В описанном варианте реализации форсунка 110 содержит корпус 112, имеющий среднюю часть 116, проходящую между основной частью 114 и сопловой частью 118. Сопловая часть 118 проходит по меньшей мере частично сквозь отверстие в головке 107 двигателя таким образом, что концевая часть 119 сопловой части 118 расположена на граничной поверхности камеры 104 сгорания. Форсунка 110 дополнительно имеет проход или канал 123, проходящий сквозь корпус 112 от основной части 114 к сопловой части 118. Канал 123 выполнен с обеспечением возможности протекания топлива сквозь корпус 112. Канал 123 также выполнен с обеспечением возможности прохождения сквозь корпус 112 других компонентов, такие как привод 122, а также измерительных компонентов и/или компонентов, связанных с источником энергии форсунки 110. Согласно некоторым вариантам реализации привод 122 может быть кабелем или стержнем, который имеет первую концевую часть, в рабочем положении соединенную с регулирующим расход устройством или редукционным клапаном 120, расположенным на концевой части 119 сопловой части 118. Как таковой, редукционный клапан 120 расположен вблизи граничной поверхности камеры 104 сгорания. Несмотря на то, что это не показано на фиг. 1, согласно некоторым вариантам реализации форсунка 110 может содержать по меньшей мере один редукционный клапан, а также по меньшей мере один затворный клапан, расположенный рядом с камерой 104 или в других местах на корпусе 112.
Согласно другой отличительной особенности показанного варианта реализации привод 122 также содержит вторую концевую часть, в рабочем положении соединенную с приводом 124. Вторая концевая часть дополнительно может быть соединена с контроллером или процессором 126. Как подробно описано ниже в связи с различными вариантами реализации изобретения, контроллер 126 и/или привод 124 выполнены с возможностью быстрого и точного приведения в действие привода 122 для впрыска топлива в камеру 104 сгорания через редукционный клапан 120. Например, согласно некоторым вариантам реализации редукционный клапан 120 может перемещаться во внешнем направлении (например в направлении к камере 104 сгорания), и согласно другим вариантам реализации редукционный клапан 120 может перемещаться во внутреннем направлении (например в направлении от камеры 104 сгорания) для дозирования и управления впрыском топлива. Кроме того, согласно некоторым вариантам реализации привод 124 может тянуть привод 122 для удерживания редукционного клапана 120 в закрытом или прижатом к седлу положении, и привод 124 может освобождать привод 122 для обеспечения возможности впрыскивания топлива редукционным клапаном 120, и наоборот. Привод 124 может быть приведен в действие контроллером или другими возбуждающими усилие компонентами (например акустическими, электромагнитными и/или пьезоэлектрическими компонентами) для достижения необходимой частоты и шаблона впрыскивания топливных зарядов.
Согласно некоторым вариантам реализации привод 122 может содержать по меньшей мере один встроенный распознающий и/или передающий компоненты для обнаружения свойств и условий камеры сгорания. Например, привод 122 может содержать волоконно-оптические кабели, изолированные преобразователи, встроенные внутрь стержня или кабеля, или может содержать другие датчики для обнаружения и передачи данных о камере сгорания. Несмотря на то, что это не показано на фиг. 1, согласно другим вариантам реализации и как описано подробно ниже форсунка 110 может содержать другие датчики или отслеживающие измерительные средства, расположенные в различных местах на форсунке 110. Например, корпус 112 может содержать оптические волокна, встроенные в материал корпуса 112, или материал корпуса 112 непосредственно может использоваться для передачи данных о сгорании по меньшей мере одному контроллеру. Кроме того, редукционный клапан 120 может быть выполнен с возможностью обнаружения или может содержать датчики для передачи данных о сгорании по меньшей мере одному контроллеру, связанному с форсункой 110. Эти данные могут быть переданы посредством беспроводного, проводного, оптического или других средств связи. Такая обратная связь обеспечивает чрезвычайно быструю и адаптивную регулировку для оптимизации факторов и характеристик впрыскивания топлива, включая, например, давление подачи топлива, синхронизацию инициирования впрыскивания топлива, длительности впрыскивания топлива для формирования многослойных или стратифицированных зарядов топливной смеси, синхронизации одного, нескольких или непрерывных плазменных воспламенений или электрических разрядов с использованием конденсаторов, и т.п.
Такая обратная связь и адаптивная регулировка посредством контроллера 126, привода 124 и/или исполнительного устройства 126 также обеспечивают возможность оптимизации результатов, таких как выработка энергии, экономия топлива и минимизация или устранение загрязняющих окружающую среду выбросов, включая оксиды азота. В публикации патентной заявки США № 2006/0238068, которая полностью включена в настоящую заявку по ссылке, описаны подходящие приводы для приведения в действие ультразвуковых преобразователей в форсунке 110 и других форсунках, описанных в настоящей заявке.
Форсунка 110 также дополнительно может содержать воспламеняющее и регулирующее расход устройство или крышку 121 (на фиг. 1 показано пунктирными линиями), расположенное на концевой части 119 рядом с головкой 107 двигателя. Крышка 121 по меньшей мере частично закрывает или окружает редукционный клапан 120. Крышка 121 также может быть выполнена с возможностью защиты некоторых компонентов форсунки 110, таких как датчики или другие отслеживающие компоненты. Крышка 121 также может действовать в качестве катализатора, носителя катализатора и/или первого электрода для воспламенения впрыснутого топлива. Кроме того, крышка 121 может быть выполнена с возможностью воздействия на форму, шаблон и/или фазу впрыснутого топлива. Редукционный клапан 120 также может быть выполнен с возможностью воздействия на выше указанные свойства впрыснутого топлива. Например, согласно некоторым вариантам реализации крышка 121 и/или редукционный клапан 120 могут быть выполнены с возможностью осуществления быстрой газификации топлива, протекающего мимо указанных компонентов. Более конкретно, крышка 121 и/или редукционный клапан 120 могут содержать поверхности, имеющие острые края, катализаторы или другие отличительные особенности, которые способствуют образованию газа или пара из поданного с высокой скоростью жидкого топлива или смеси жидкого топлива и твердого топлива. Ускорение и/или повышенная частота работы редукционного клапана 120 также могут способствовать быстрой газификации впрыснутого топлива. Во время работы указанная быстрая газификация вызывает образование пара или газа, выпущенного из сопловой части 118, для более быстрого и полного сгорания. Кроме того, указанная быстрая газификация может использоваться в различных комбинациях с перегретым жидким топливом и плазменными или акустическими импульсами распространяющихся вспышек топлива. Согласно другим дополнительным вариантам реализации повышенная частота работы редукционного клапана 120 может возбуждать распространение плазмы для предпочтительного воздействия на форму и/или шаблон впрыснутого топлива. В публикации патентной заявки США № 672636, (Патент США № 4122816), которая полностью включена в настоящую заявку по ссылке, описаны подходящие приводы для возбуждения распространения плазмы форсункой 110 и другими форсунками, описанными в настоящей заявке.
Согласно другому аспекту показанного варианта реализации и как описано подробно ниже по меньшей мере часть корпуса 112 выполнена по меньшей мере из одного диэлектрического материала 117, подходящего для обеспечения зажигания искрой высокого напряжения для воспламенения различных видов топлива, включая нерафинированные виды топлива или виды топлива с низкой удельной энергоемкостью. Указанные диэлектрические материалы 117 могут обеспечивать достаточную высоковольтную электрическую изоляцию для выработки, изолирования и/или доставки искры зажигания или плазмы для воспламенения. Согласно некоторым вариантам реализации корпус 112 может быть выполнен из одиночного диэлектрического материала 117. Однако согласно другим вариантам реализации корпус 112 может содержать по меньшей мере два диэлектрических материала. Например, по меньшей мере один сегмент средней части 116 может быть выполнен из первого диэлектрического материала, имеющего первую электрическую прочность, и по меньшей мере один сегмент сопловой части 118 может быть выполнен из диэлектрического материала, имеющего вторую электрическую прочность, которая больше первой электрической прочности. Второй диэлектрик, имеющий относительно высокую вторую электрическую прочность, может защищать форсунку 110 от тепловой и механической ударной нагрузок, засорения, трекинга (образования на поверхности следов пробоя) и т.п. Примеры подходящих диэлектрических материалов, а также расположение этих материалов на корпусе 112 подробно описаны ниже.
В дополнение к диэлектрическим материалам, форсунка 110 также может быть соединена с источником энергии или высокого напряжения для формирования условий воспламенения, необходимых для сгорания впрыснутого топлива. Первый электрод может быть соединен с источником энергии (например источником, генерирующим напряжение, таким как конденсаторная разрядная, индукционная или пьезоэлектрическая системы) посредством по меньшей мере одного проводника, проходящего сквозь форсунку 110. Области сопловой части 118, редукционный клапан 120 и/или крышка 121 могут действовать в качестве первого электрода для формирования условий для воспламенения (например, искры зажигания, плазмы, условий компрессионного воспламенения, разряда конденсатора большой емкости, продолжительной искры зажигания от индукционного источника, и/или постоянного тока или высокочастотной плазмы в соединении с применением ультразвука для быстрого возбуждения, воспламенения и полного сгорания) с соответствующим вторым электродом головки 107 двигателя. Как подробно описано ниже, первый электрод может быть выполнен с обеспечением повышенной надежности и увеличенного срока службы. Согласно другим вариантам реализации форсунка 110 может быть выполнена с возможностью обеспечения преобразования энергии от источников камеры сгорания и/или восстановления отходящего тепла или энергии путем термохимической регенерации для приведения в действие по меньшей мере одного компонента форсунки 110 от энергии, полученной от сгорания топлива.
Системы впрыска/воспламенения
[00115] На фиг. 2 показан вид сбоку, показывающий окружение части системы 200 внутреннего сгорания, содержащей топливную форсунку 210, выполненную согласно одному варианту реализации изобретения. В показанном варианте реализации в качестве простой иллюстрации одного типа форсунки схематично показана форсунка 210, которая выполнена с возможностью впрыскивания и воспламенения различных видов топлива в камере 202 сгорания двигателя 204 внутреннего сгорания. Как показано на фиг. 2, камера 202 сгорания сформирована между головкой, содержащей форсунку 210 и клапаны, поршнем 201, выполненным с возможностью перемещения, и внутренней поверхностью цилиндра 203. Однако согласно другим вариантам реализации форсунка 210 может использоваться в другом окружении с другими типами камер сгорания и/или устройствами для передачи энергии, включая различные направляющие лопасти, осевые и радиальные расширители поршня, наряду с различными типами роторных двигателей внутреннего сгорания. Как описано более подробно ниже, форсунка 210 содержит некоторые особенности, которые не только обеспечивают возможность впрыскивания и воспламенения различных видов топлива в камере 202 сгорания, но также обеспечивают адаптивное впрыскивание и воспламенение форсункой 210 указанных различных видов топлива в соответствии с различными условиями или требованиями сгорания. Например, форсунка 210 может содержать по меньшей мере один изолирующий материал, который выполнен с возможностью обеспечения высоковольтной искры зажигания для воспламенения различных видов топлива, включая нерафинированное топливо или топливо с низкой удельной энергоемкостью. Указанные изолирующие материалы также могут быть выполнены с возможностью выдерживания тяжелых условий работы, необходимых для сгорания различных видов топлива, включая, например, высокое напряжение, усталостные нагрузки, ударные нагрузки, окисление и ухудшение характеристик из-за коррозии.
Согласно другому аспекту показанного варианта реализации форсунка 210 дополнительно может содержать измерительное средство для распознавания различных свойств сгорания в камере 202 сгорания (например свойств процесса сгорания, камеры 202 сгорания, двигателя 204, и т.п.). В ответ на указанные измеренные условия форсунка 210 может адаптивно оптимизировать систему для впрыскивания топлива и характеристики воспламенения для достижения увеличенной топливной экономичности и выработки энергии, а также для снижения уровня шума, детонации двигателя, тепловых потерь и/или вибрации для увеличения срока службы двигателя и/или транспортного средства. Кроме того, форсунка 210 также содержит активирующие компоненты для впрыскивания топлива в камеру сгорания 202 для достижения конкретных шаблонов 205 потока или распыла, а также фазы впрыснутого топлива. Например, форсунка 210 может содержать по меньшей мере один клапан, расположенный рядом с граничной поверхностью камеры 202 сгорания. Активирующие компоненты форсунки 210 обеспечивают точную, высокочастотную работу клапана для управления по меньшей мере следующими отличительными особенностями: синхронизацией системы для инициирования и завершения впрыскивания топлива; частотой и длительностью повторных впрысков топлива; и/или синхронизацией и выбором условий воспламенения.
На фиг. 3A-3D показаны некоторые шаблоны 305 воспламенения топлива (индивидуально идентифицированные как с первого по четвертый шаблоны 305a-305d), с которыми топливо может быть впрыснуто форсункой, выполненной в соответствии с вариантами реализации изобретения. Специалисты должны признать, что показанные на чертежах шаблоны 305 просто являются репрезентативными для некоторых вариантов реализации настоящего изобретения. Соответственно, настоящее изобретение не ограничивается шаблонами 305, показанными на фиг. 3A-3D, и согласно другим вариантам реализации форсунки могут дозировано подавать топливо в соответствии с шаблонами воспламенения, которые отличаются от шаблонов 305, показанных на чертеже. Несмотря на то, что шаблоны 305, показанные на фиг. 3A-3D, имеют различные формы и конфигурации, они совместно используют отличительную особенность, состоящую в формировании последовательных слоев 307 топлива. Отдельные слои 307 из соответствующих шаблонов 305 обеспечивают преимущество, состоящее в относительно большой поверхности к объемным долям впрыснутого топлива. Указанная большая поверхность в отношении к объемным долям обеспечивает более высокие скорости сгорания зарядов топливной смеси, а также способствует изолированию и ускорению полного сгорания зарядов топливной смеси. Такое быстрое и полное сгорание обеспечивает некоторые преимущества по сравнению с более медленным сгоранием зарядов топливной смеси. Например, медленно сгорающие заряды топливной смеси требуют более раннего воспламенения, вызывают значительные тепловые потери на поверхности камеры сгорания и приводят к совершению увеличенной обратной работы или потере выходного крутящего момента из-за необходимости преодоления раннего повышения давления по причине более раннего воспламенения. Такая работа двигателя из-за раннего сгорания также приводит к увеличению выбросов, загрязняющих окружающую среду (например, богатых углеродом углеводородных макрочастиц, оксидов азота, моноксида углерода, диоксида углерода, потушенных и несгоревших углеводородов, и т.п.), а также к ухудшающим характеристики двигателя нагреву и износу поршней, колец, стенок цилиндра, клапанов и других компонентов камеры сгорания.
Таким образом, системы и форсунки согласно настоящему изобретению обеспечивают возможность замены традиционных форсунок, запальных свечей или свечей зажигания (например форсунок дизельного топлива, свечей зажигания для бензина, и т.п.) и выработки полной номинальной мощности при использовании широкого разнообразия видов возобновляемого топлива, таких как водород, метан и различные недорогие топливные спирты, изготовленные из широко доступных сточных вод, мусора и отходов сельского хозяйства и животноводства. Несмотря на то, что указанные виды возобновляемого топлива могут иметь удельную энергоемкость, которая примерно в 3000 раз меньше по сравнению с очищенным ископаемым топливом, системы и форсунки согласно настоящему изобретению обеспечивают возможность впрыскивания и воспламенения указанных видов возобновляемого топлива для эффективной выработки энергии.
Система для впрыскивания топлива различных видов
[00119] На фиг. 4 показан продольный разрез узла компонента согласно одному варианту реализации, которым управляют в соответствии с вариантом реализации изобретения. На фиг. 5 показан вид с торца узла компонента, показанного на фиг. 4, выполненного в соответствии с вариантом реализации изобретения. Согласно аспектам указанного варианта реализации, показанного на фиг. 4, форсунка 3028 обеспечивает взаимозаменяемое использование исходных топливных веществ или разновидностей топлива на основе водорода, которые могут быть получены в результате описанных процессов. Они включают бензиновые смеси, пропан, этан, бутан, топливные спирты, низкотемпературную массу, те же виды топлива или вновь сформированное распыленное топливо в жидкой, паровой или газовой формах, изготовленное с использованием регенеративных термохимических реакций согласно настоящему изобретению.
Как показано на фиг. 4, форсунка 3028 обеспечивает выбор оптимальных видов топлива, включая выбор потоков различными клапанами, показанными на фиг. 4, посредством схем, выполненных в форме клапанов для использования распыленного топлива и условий, включая исходное топливо из бака, нагретое исходное топливо из теплообменников 3036, испаренное исходное топливо из теплообменников 3036, вновь сформированное распыленное топливо из реактора 3036, нагретое топливо из реактора 3036 в комбинации с топливом из теплообменника, а также выбор давления для доставки распыленного топлива в форсунку 3028 путем управления регулятора давления для оптимизации переменных, включая скорость подачи в камеру сгорания и распространение в ней локальных и общих воздушно-топливных смесей в момент времени, выбранный для воспламенения, скорости сгорания топлива и различные другие комбинации и перестановки указанных переменных. Конструкция топливной форсунки 3028 улучшает управление адаптивным впрыскиванием топлива, шаблоном распространения топлива, использованием воздуха, воспламенением и сгоранием и способствует достижению различных других целей оптимизации согласно настоящему изобретению.
На фиг. 4 показан пример варианта выполнения форсунки 3028 с соленоидным приводом, использующегося в системе для впрыскивания топлива и принудительного воспламенения, показанной на других чертежах иллюстрирующих систему. Согласно аспектам варианта реализации форсунка 3028 обеспечивает точный объемный впрыск и воспламенение топлива, температура, вязкость и плотность которого может изменяться в больших пределах, включая густые водородные смеси из твердого и жидкого водорода при температуре -254°C (-425°F), горячего водорода и моноксида углерода, полученного из преобразованного метанола при температуре 150°C (302°F) или более высоких температурах, вплоть до жидкого дизельного топлива и бензина при температуре окружающей среды. Огромный диапазон объемов, который необходим для достижения частичной или полной номинальной мощности при использовании таких видов топлива путем эффективного управления работой двигателя, требует адаптивной синхронизации подачи и принудительно синхронизированного воспламенения точных объемов в точно заданные моменты времени с быстрым повторением в течение одного цикла работы двигателя, и все это без подтекания форсунки до или после заданного оптимально синхронизированного момента впрыска. Предотвращение такого подтекания является чрезвычайно трудным и важным для избежания потерь топлива во время такта выпуска, обратной работы и/или тепловых потерь из-за самопроизвольной и неправильной подачи топлива во время выпуска, впуска или ранних периодов сжатия.
Согласно некоторым вариантам реализации снижение подтекания топлива достигается разделяющим промежутком между регулирующим клапаном 3074 и исполнительным устройством клапана, таким как соленоидный привод клапана, содержащий изолированную обмотку 3046, мягкий магнитный сердечник, якорь 3048 и пружину 3036, показанные на чертеже. Для соответствия требованиям чрезвычайно ограниченного пространства в условиях "горячего конденсата" внутри клапанной группы двигателя и распредвалов современных двигателей нижняя часть форсунки 3028 имеет ту же резьбу, длину резьбовой части и диаметр корпуса что и обычная свеча зажигания в частях 3076 и 3086 ниже высоковольтного изолированного гнезда 3066. Подобным образом, для замены форсунок для дизельного топлива предусмотрены отсеки небольшого размера для форсунок с сохранением существенных преимуществ точного искрового зажигания и формирования стратифицированного заряда топлива, которое может иметь различные свойства от дизельного топлива с низким давлением паровой фазы до водородаи/или содержащего водород топлива.
Согласно варианту реализации, показанному на фиг. 4, конструкция форсунки обеспечивает возможность приложения высоковольтного напряжения для искрового зажигания к проводнику 3068 в гнезде 3066 и таким образом обеспечивает передачу ионизирующего напряжения через проводящее сопло 3070 и аккумулирующий заряд элемент 3085, расположенный внутри резьбовой части 3086 рядом с граничной поверхностью камеры сгорания, как показано на фиг. 4 и 5. Согласно некоторым вариантам реализации регулирующий клапан 3074 может быть поднят прочным изолированным кабелем или волоконно-оптическим кабелем 3060, который перемещается силой привода или якоря 3048 узла соленоидного исполнительного устройства, как показано на чертеже. Согласно аспектам одного варианта реализации диаметр кабеля 3060 составляет 0,04 мм (0,015 дюйма) и сформирован жгутом из прочных оптических волокон, включая типы волокон, которые эффективно передают излучение в инфракрасном, видимом и/или ультрафиолетовом диапазонах длин волн.
Одна отличительная особенность показанного варианта реализации состоит в том, что этот жгут заключен в защитную термоусадочную трубку или собран в термопластичном или термореактивном связующем веществе и формирует высокопрочное и гибкое исполнительное устройство с высокими изолирующими свойствами для регулирующего клапана 3074 и собирающего данные компонента, который непрерывно сообщает данные о давлении в камере сгорания, температуре и условиях шаблона сгорания с использованием инфракрасного, видимого и/или ультрафиолетового света. Согласно дополнительным вариантам реализации граничная поверхность 3083 камеры сгорания снабжена защитной линзой или покрытием для кабеля 3060, передающими данные о давлении сгорания, полученные от волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, микродатчика на основе резонатора Фабри-Перо или оптического волокна с боковой полировкой. В использовании данные о давлении от конца кабеля 3060, расположенного в граничной поверхности или по существу рядом с граничной поверхностью камеры сгорания, передаются посредством указанного светопроводного жгута, как показано на чертеже, который, например, может быть защищен от абразивного изнашивания и термической деструкции. Согласно аспектам настоящего изобретения подходящие материалы для защитной линзы включают помимо прочего алмаз, сапфир, кварц, окись магния, карбид кремния и/или другие керамические материалы в дополнение к жаропрочным суперсплавам и/или канталам.
На фиг. 6 показан продольный разрез узла компонента согласно варианта реализации, которым управляют в соответствии с вариантом реализации изобретения. На фиг. 7 показан вид с торца узла компонента, показанного на фиг. 6, выполненного в соответствии с вариантом реализации изобретения. Согласно дополнительному варианту выполнения форсунки, показанной на фиг. 6, форсунка 3029 содержит прозрачный диэлектрический изолятор 3072. Изолятор 3072 обеспечивает передачу света на частотах излучения от камеры сгорания к оптоэлектронному датчику 3062P, а также изменяющийся сигнал деформации, соответствующий условиям давления в камере сгорания, к датчику 3062D механического напряжения.
Согласно дополнительным вариантам реализации встроенный контроллер 3062 предпочтительно принимает сигналы от датчиков 3062D и 3062P для формирования аналогового или цифрового сигналов о событиях подачи топлива и искрового воспламенения в качестве дополнительного повышения КПД, усовершенствования выработки энергии, повышения плавности работы двигателя, достижения отказоустойчивых условий и увеличения срока службы компонентов двигателя. Согласно некоторым вариантам реализации контроллер 3062 сохраняет показания датчика для определения времени между каждым ускорением крутящего момента цилиндра и получения положительного и отрицательного ускорений двигателя как функцию данных адаптивного впрыскивания топлива и синхронизации искрового зажигания и потока для определения регулировок, необходимых для оптимизации желательных параметров работы двигателя. Соответственно, контроллер 3062 служит в качестве основного компьютера, управляющего системой, показанной на фиг. 14 (как описано ниже), включая различные режимы работы форсунок, например форсунок 3028, 3029 или 3029', показанных на фиг. 4, 5, 6, 7, 9, 11 и 13.
Согласно некоторым вариантам реализации защита оптоволоконного жгута или кабеля 3060 ниже регулирующего клапана 3074 обеспечена по существу прозрачным затворным клапаном 3084, как показано на фиг. 6 и 7. Согласно одному варианту реализации быстродействующий затворный клапан содержит ферромагнитный элемент, расположенный внутри прозрачного корпуса. Эта комбинация функций может быть обеспечена различными геометрическими конфигурациями, включая ферромагнитный диск, расположенный внутри прозрачного диска, или ферромагнитный шарик, расположенный внутри прозрачного шарика, как показано на чертеже. В использовании такие конфигурации обеспечивают возможность расположения затворного клапана 3084, который магнитным способом переключается в нормально закрытое положение, очень близко к регулирующему клапану 3074 и концу кабеля 3060, как показано на чертеже. При подъеме регулирующего клапана 3074 для обеспечения возможности протекания топлива затворный клапан 3084 переходит в открытое положение внутри отверстия гнезда, которое удерживает его внутри пересекающихся прорезей 3088, что обеспечивает возможность топливу проходить сквозь седло магнитного клапана 3090 мимо затворного клапана 3084 и в прорези 3088 для образования увеличенной поверхности объемного проникновения топлива в воздух в камере сгорания, как показано на фиг. 12 и 14 и описано ниже. Соответственно, кабель 3060 продолжает отслеживать развитие событий в камере сгорания путем приема и передачи сигналов на частотах излучения, которое проходит сквозь затворный клапан 3084. Согласно аспектам настоящего изобретения подходящие материалы для прозрачных частей затворного клапана 3084 включают сапфир, кварц, высокотемпературные полимеры и керамику, которые являются прозрачными для представляющих интерес частот.
В целом желательна выработка наибольшего крутящего момент при наименьшем потреблении топлива. В областях, таких как переполненные городские улицы, в которых являются нежелательными выбросы оксидов азота, адаптивные впрыск топлива и угол опережения зажигания обеспечивают максимальный крутящий момент без достижения пиковых температур сгорания 2200°C (4000°F). Согласно одному способу определения пиковой температуры сгорания используют датчик температуры пламени, который содержит волоконно-оптический кабель 3060 небольшого диаметра или прозрачный изолятор 3072 большего диаметра. Изолятор 3072 может быть снабжен жаропрочным и износостойким покрытиями, такими как сапфир, или алмазным покрытием, нанесенными на поверхность камеры сгорания, выполненным из жаропрочного полимера или из кварца, сапфира, или стекла для осуществления комбинированных функций в форсунке 3028, включая оптоволоконную передачу света, излученного во время сгорания, к датчику 3062D контроллера 3062, как показано на чертежах. Кроме того, как показано на фиг. 4 и 5, контроллеры 3062 и/или 3043 отслеживают сигнал от датчика 3062D в каждой камере сгорания для адаптивных регулирования впрыска топлива и/или синхронизации искрового зажигания и предотвращения формирования окиси азота.
Таким образом, в современном двигателе управляющие топливом усилия вместе с интегрированным искровым зажиганием могут быть переданы к нормально закрытому регулирующему клапану 3074 посредством изолирующего кабеля 3060 в наиболее оптимальное местоположение свечи зажигания или форсунки для дизельного топлива от граничной поверхности камеры сгорания до местоположения над нею, т.е. фактически на любое расстояние, существенно разделяющее клапаны и их исполнительные устройства. Такая конструкция топливной форсунки со встроенным зажиганием согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность замены свечи зажигания или форсунки для дизельного топлива для обеспечения точной синхронизации впрыска топлива и адаптивного искрового зажигания для воспламенения высокоэффективного стратифицированного заряда при широким выборе видов топлива, включая менее дорогие виды топлива, независимо от октанового и цетанового чисел, вязкости, температуры или удельной энергоемкости топлива. Двигатели, работа которых прежде была ограничена использованием видов топлива с заданными октановым или цетановым числами, теперь могут быть преобразованы на основе настоящего изобретения для более эффективной продолжительной работы с использованием видов топлива, которые имеют меньшую стоимость и более предпочтительны в отношении охраны окружающей среды. Кроме того, имеется возможность управления форсункой 3028, 3029 или 3029' в пилотном режиме подачи топлива и воспламенения, или только в режиме воспламенения для возврата двигателя к исходному режиму работы на бензине с формированием топливной смеси посредством карбюратора или с использованием впускных коллекторных систем впрыска топлива. Подобным образом форсунка 3028, 3029 или 3029' может быть выполнена для работы на дизельном топливе или других видах топлива с искровым воспламенением в соответствии с описанными комбинациями дозирования и воспламенения топлива различных видов.
Согласно дополнительным аспектам настоящего изобретения предотвращение формирования оксидов азота обеспечивается при адаптивном управлении синхронизацией впрыска топлива и синхронизацией искрового зажигания в таких целях как максимизация экономии топлива и удельной мощности двигателя, сохранение пленки смазки в цилиндрах камеры сгорания и/или минимизация шума. Согласно некоторым вариантам реализации предпочтительно кабель 3060 проходит с фиксацией сквозь регулирующий клапан 3074 к обращенной к камере сгорания поверхности топливораспределительного сопла или рядом с ней для отслеживания событий в камере сгорания через центральную часть прорезей 3088, как показано на фиг. 5, 7 и 11. Согласно дополнительным вариантам реализации кабель 3060 формирует по меньшей мере одно свободно изгибающееся продолжение, такое как петля, расположенная над шариковым ограничителем 3035 хода якоря, которая предпочтительно обеспечивает возможность начала перемещения якоря 3048 и увеличения момента количества движения перед началом подъема кабеля 3060 и таким образом для резкого подъема регулирующего клапана 3074, и проходит с фиксацией сквозь мягкий сердечник магнита для доставки излучения с используемой длиной волны от камеры сгорания к датчику 3040, как показано на чертеже. Согласно некоторым вариантам реализации изобретения датчик 3040 может быть выполнен отдельно или встроен в контроллер 3043, как показано на чертеже. Согласно одному из вариантов реализации система на основе оптоэлектронного датчика обеспечивает всестороннее отслеживание условий в камере сгорания, включая воспламенение, расширение, выхлоп, впуск, впрыск топлива и результаты воспламенения как функцию давления и/или обнаружения излучения в камере сгорания двигателя, как показано на чертеже. Таким образом, как показано на фиг. 4 и 6, во время сгорания топлива датчик 3040 и/или датчик 3062D, и/или датчик 3062Р передают сигналы о температуре и соответствующемдавлении для немедленного коррелирования температуры и времени выдержки температуры с давлением в камере сгорания, положением поршня и с химическим составом продуктов сгорания.
Такая корреляция легко достигается путем управления двигателем с использованием комбинированной технологии сбора данных о положении поршней и давлении в камере сгорания, описанной в патентах США №№ 6015065; 6446597; 6503584; 5343699 и 5394852; наряду с находящей в рассмотрении патентной заявкой № 60/551219, и данных, излученных из камеры сгорания и переданных волоконно-оптическим жгутом/ светопроводным узлом/ кабелем 3060 к датчику 3040, как показано на чертеже. Полученные таким образом корреляционные функции обеспечивают передачу излученного сигнала посредством кабеля 3060 к датчику 3040 и данных о положении поршней для индицирования давления в камере сгорания, температуры и шаблона условий сгорания, необходимых для адаптивной оптимизации различных функций двигателя, таких как максимизация экономии топлива, выработки энергии, предотвращения образования оксидов азота, предотвращения тепловых потерь, и т.п. После этого данные, переданные кабелем 3060 и датчиком 3040 к контроллеру 3043, могут обеспечивать быстрое и адаптивное управление функциями двигателя с использованием высокоэффективной в отношении затрат форсунки.
Таким образом, согласно одному варианту реализации максимально всесторонняя адаптивная система впрыска может содержать как датчик 3040, так и кабель 3060, вместе по меньшей мере с одним датчиком давления, известным из уровня техники и/или описанным в патентах, ссылка на которые была сделана выше, и в находящихся в совместном рассмотрении патентных заявках, которые включены в настоящую заявку по ссылке. Таким образом, предпочтительным является отслеживание вращательного ускорения двигателя для адаптивного усовершенствования управления выработкой энергии и экономии топлива. Разгон двигателя соответственно может быть отслежен различными способами, включая синхронизацию коленчатого вала или распредвала, синхронизацию распределителя зажигания, синхронизацию шестерен в коробке передач или определение скорости поршня. Разгон двигателя в зависимости от регулируемых переменных, включая выбор распыленного топлива, температуру распыленного топлива, синхронизацию впрыска топлива, давления впрыска, частоту повторения впрысков, угол опережения зажигания и отображение температуры в камере сгорания, обеспечивает значительное улучшение рабочих характеристик двигателя, повышение экономии топлива, улучшенный контроль выхлопных газов и увеличение срока службы двигателя с использованием традиционных или менее дорогих видов топлива.
Согласно аспектам настоящего изобретения эта новая комбинация дистанционного исполнительного устройства 3048 клапана и регулирующего клапана 3074, расположенного в граничной поверхности камеры сгорания или по существу рядом с ней, обеспечивает усовершенствование плазмоструйного воспламенения с адаптивной синхронизацией для оптимизации сгорания топлива со значительно изменяющимися вязкостью, теплотворной способностью и давлением паровой фазы. Эта конфигурация фактически устраняет вредоносную предварительное или остаточное капельное подтекание благодаря тому, что объем между регулирующим клапаном 3074 и камерой сгорания является минимальным или отсутствует совсем. Благодаря расположению регулирующего клапана 3074 в граничной поверхности камеры сгорания устранено сопротивление потоку топлива, обычно присутствующее в обходных каналах, по которым оно доставляется. Согласно некоторым вариантам реализации регулирующий клапан 3074 может быть приведен в нормально закрытое положение посредством подходящей механической пружины или сжимающим усилием, приложенным к жесткому кабелю или стержню 3060, в зависимости от силы пружины 3036, или магнитным притяжением пружины к седлу клапана 3090, а также с использованием комбинаций таких закрывающих действий.
Согласно аспектам настоящего изобретения стойкие к давлению характеристики достигаются обеспечением разгона привода 3048 якоря без нагрузки, сопровождаемого ударным действием на шарик 3035, закрепленный на кабеле 3060 в заданном положении с возможностью резкого подъема или перемещения. Согласно некоторым вариантам реализации привод 3048 перемещается относительно свободно в направлении к полюсной части электромагнита мимо неподвижного кабеля 3060, как показано на чертеже. После получения значительного импульса привод 3048 ударяет в шарик 3035, расположенный внутри пружины, как показано на чертеже. В показанном на чертеже варианте реализации шарик 3035 соединен с кабелем 3060 внутри пружины 3036. Таким образом, при использовании резкое приложение намного большего усилия, обеспеченного этим ударом, по сравнению с усилием, которое развивает соленоидный клапан прямого действия, вызывает относительно небольшую инерцию, и нормально закрытый регулирующий клапан 3074 резко подниматься от верхнего клапанного седла прохода в седле 3090.
В описанном варианте реализации для регулирующего клапана 3074 может быть использовано любое подходящее седло; однако для случаев применения с камерами сгорания в двигателях малой мощности предпочтительно использование встроенного постоянного магнита в седле 3090 или в качестве седла 3090 для перевода регулирующего клапана 3074 в нормально закрытое положение, как показано на чертеже. Такая быстрая активация удара регулирующего клапана 3074 якорем 3048 обеспечивает гарантированную точность потока топлива независимо от температуры топлива, его вязкости, наличия в нем кристаллизованных масс или приложенного давления, что может быть необходимым для обеспечения желательных скоростей подачи топлива. Постоянные магниты на основе сплавов, таких как SmCo и NdFeB, с легкостью обеспечивают необходимое магнитное усилие при рабочих температурах до 205°C (401°F) и обеспечивают переход регулирующего клапана 3074 в нормально закрытое положение на магнитном седле 3090 клапана, и таким образом фактически устраняют объем "мертвого" пространства в камере сгорания и остаточное капельное подтекание.
В приведенном выше сравнении, если регулирующий клапан 3074 содержит встроенный якорь 3048, выполненный с возможностью доставки топлива в отверстии изолятора 3064 в направлении к проводящему соплу 3070, остаточное капельное подтекание топлива, которое временно расположено в указанном мертвом объеме, может быть в таком количестве, которое соответствует заданному количеству подачи топлива в желательный момент времени рабочего цикла двигателя. Такой поток остаточного капельного подтекания может формироваться во время последних тактов расширения или во время такта выхлопа и таким образом может быть большей частью, если не полностью, потрачен впустую и в то же время вызывать выброс пламени, выжигающий защитную смазку стенок цилиндра, бесполезный нагрев поршня, а также увеличенное трение из-за относительного расширения и перегрев компонентов выхлопной системы. Настоящее изобретение является чрезвычайно важным для обеспечения взаимозаменяемого использования традиционных видов топлива или топлива, имеющего меньшую стоимость, независимо от октанового числа, давления паровой фазы или энергоемкости топлива на единицу его объема.
Кроме того, традиционные исполнительные системы для клапанов могут быть ограничены перепадами давления до примерно 7 атмосфер по сравнению с перепадом давления более чем 700 атмосфер, возникающим при быстром ударе привода 3048, действующем на кабель 3060 и таким образом на регулирующий клапан 3074. Низкотемпературные топливные массы с предельно густыми консистенциями и вязкостями, сопоставимые с яблочным соусом или творогом, легко доставляются посредством относительно больших каналов к нормально закрытому регулирующему клапану 3074, который лежит на отверстии большого диаметра в седле 3090. Быстрое ускорение с последующим быстрым ударом электромагнитного якоря 3048, имеющего большую инерцию, передает очень большое подъемное усилие посредством диэлектрического кабеля 3060 для резкого и полного подъема регулирующего клапана 3074 над отверстием большого диаметра в седле 3090 и тем самым открывает нормально закрытый затворный клапан 3084, если таковой имеется, и впрыскивает массу топливной смеси в камеру сгорания. Такая же надежная доставка топлива осуществляется без остаточного капельного подтекания при использовании различных видов топлива в любой фазе или смеси фаз, включая водород и другие маловязкие виды топлива при температурах 400°F (204°C) или выше, которые могут использоваться попеременно
Согласно аспектам настоящего изобретения независимо от того, имеет ли используемое топливо плотность жидкого бензина или низкотемпературного водорода при холодном запуске двигателя и затем становится в сотни или тысячи раз менее плотным при нагреве двигателя и выработки тепла для преобразования жидкого топлива в газообразное, точное дозирование и воспламенение топлива, впущенного в камеру сгорания, обеспечивается без нежелательного остаточного капельного подтекания. Такой подход предоставляет водителю транспортного средства возможность выбрать наиболее подходящее и доступное топливо для очередного пополнения топливного бака 3404 (показанного на фиг. 14). После этого тепло выхлопа двигателя восстанавливается теплообменником или теплообменниками, показанными на фиг. 14, и форсунка обеспечивает самую подходящую оптимизацию топлива, выбранного при использовании отходящего тепла двигателя, для реализации преимуществ сгорания стратифицированного водородосодержащего заряда. В регионах с очень холодным климатом и в целях минимизации выбросов диоксида углерода предпочтительно транспортировать и хранить водород или водородосодержащие газы в аккумуляторе с передачей через соленоидный клапан в момент времени, когда достаточное тепло двигателя становится доступным для реактора 3036. В использовании, во время холодного запуска двигателя клапан открывается, и водород или водородосодержащее топливо проходит сквозь клапан к регулятору давления и к форсунке или форсункам 3028 для осуществления чрезвычайно быстрого, высокоэффективного и чистого запуска двигателя.
На фиг. 8A и 8B показаны узлы клапанного блока, выполненные в соответствии с вариантом реализации изобретения. Обеспечение возможности использования возобновляемых видов топлива и увеличение КПД и срока службы больших двигателей в морских грузоперевозках, сельском хозяйстве, горной промышленности, строительстве и тяжелогрузных железнодорожных перевозках, а также в грузовом автотранспорте является существенным, но в больших двигателях, первоначально предназначенных для работы на дизельном топливе, чрезвычайно трудно осуществлять доставку достаточной энергии газообразного топлива. На фиг. 8A и 8B показан частичный разрез клапанного блока 3100, обеспечивающего управляемую доставку больших объемов находящегося под повышенным давлением топлива, имеющего относительно низкую удельную энергоемкость, к каждому цилиндру двигателя. Согласно аспектам настоящего изобретения клапанный блок 3100 в частности является предпочтительным для обеспечения использования топлива с низкой удельной энергоемкостью в больших двигателях в соединении с форсункой в качестве по существу стратифицированного заряда сгораемых веществ при более высоких тепловых КПД по сравнению с традиционными видами топлива. Клапанный блок 3100 также обеспечивает возможность частичного использования таких видов топлива для значительного улучшения объемного КПД преобразованных двигателей путем увеличения количества воздуха, который вводится в камеру сгорания во время каждого такта впуска.
В использовании, находящееся под повышенным давлением топливо подается посредством входного штуцера 3102 в клапанную камеру, в которой пружина 3104 переводит клапан, например шарик 3106, в закрытое положение на седле 3108, как показано на чертеже. В высокооборотных двигателях или в двигателях, в которых использование пружины 3104 является нежелательным по той причине, что при этом наблюдается тенденция к увеличению количества твердых частиц в топливной массе, предпочтительно выполнение седла 3108 в форме полюса постоянного магнита, способствующего быстрому закрыванию отверстия в седле шариком 3106. Если в камеру сгорания необходимо подать топливо, толкатель 3112 поднимает шарик 3106 над седлом 3108, и топливо может протекать вокруг шарика 3106 и через проход к показанному на чертеже штуцеру 3110 для доставки в камеру сгорания. Согласно некоторым вариантам реализации толкатель 3112 уплотнен посредством точного соответствия размеру отверстия 3122 или посредством эластичного уплотнения, такого как уплотнение 3114. Толкатель 3112 может быть приведен в действие любым подходящим способом или комбинацией способов.
Согласно одному варианту реализации подходящее управление потоком топлива может быть обеспечено действием соленоида, которое является результатом протекания электрического тока в кольцевой обмотке 3126, расположенной в стальной крышке 3128, в которой плунжер 3116 соленоида, соединенный с толкателем 3112, перемещается в осевом направлении, как показано на чертеже. Согласно некоторым вариантам реализации плунжер 3116 предпочтительно является ферромагнитным материалом, который отличается мягкими магнитными свойствами. Прямолинейное перемещение плунжера 3116 направляется подшипником 3124 скольжения, который предпочтительно является самосмазывающимся или выполнен из сплава с низким коэффициентом трения, таким как сплав Nitronic, или представляет собой подшипник, выполненный в соответствии с технологией порошковой металлургии с масляной пропиткой, не требующий регулярной смазки, который может быть ввинчен, посажен с натягом, зафиксирован на месте подходящим адгезивом, зафиксирован обжимом или впаян с возможностью постоянного размещения на ферромагнитной полюсной части 3122 клапанного блока 3100, как показано на чертеже.
Согласно другим вариантам реализации шарик 3106 клапана также может быть открыт импульсным действием, при котором плунжеру 3116 придается значительный импульс перед обеспечением значительно большего открывающего усилия после свободного перемещения указанного шарика перед резким ударом толкателя 3112 по указанному шарику 3106. Согласно данному варианту реализации предпочтительно в состоянии покоя имеется достаточный люфт между шариком 3106 и концом толкателя 3112, если плунжер 3116 находится в нейтральном положении в начале ускорения при перемещении в направлении к шарику 3106 для обеспечения возможности развития значительного импульса перед резким ударом по шарику 3106.
Дополнительный способ периодического управления толкателем 3112 и таким образом шариком 3106 может быть осуществлен с использованием поворотного соленоида или механически управляемого кулачка, действующих с той же частотой, с которой управляют клапаном или клапанами для впуска воздуха и/или рабочим тактом двигателя. Такая механическая активация может быть использована как в качестве единственного источника смещения для шарика 3106, так и в соединении с возвратно-поступательным или поворотным соленоидами. В использовании скоба 3118 удерживает шарикоподшипниковый узел 3120, в котором ролик или наружное кольцо антифрикционного подшипникового узла вращаясь проходит по соответствующему кулачку и тем самым вызывает прямолинейное перемещение плунжера 3116 и толкателя 3112 в направлении к шарику 3106. После удара по шарику 3106 и протекания необходимого количества топлива шарик 3106 и плунжер 3116 возвращаются в нейтральное положение магнитным седлом и/или пружинами 3104 и 3105, как показано на чертеже.
Подобным образом предполагается, что подходящее управление клапанным блоком 3100 может быть осуществлено смещением кулачка шарикоподшипникового узла 3120 с функцией удерживания в открытом положении посредством тормоза с пьезоэлектрическим управлением (не показан) или активацией электромагнита 3126, соединенного с плунжером 3116, для продолжения период протекания топлива после прохода распредвала 3120, как показано на фиг. 8A и 9. Это обеспечивает функции клапана для потока текучей среды, в которых выполненный с возможностью перемещения клапанный элемент, такой как шарик 3106, перемещается плунжером 3112, приведенный в действие подходящими механизмами, включая соленоид, кулачковое исполнительное устройство и комбинацию соленоида и кулачковых исполнительных устройств, в которых клапанный элемент 3106 в случае необходимости удерживается в положении, обеспечивающем возможность протекания текучей среды, таким соленоидом, пьезоэлектрическим тормозом и/или комбинацией соленоида и пьезоэлектрических механизмов.
Поток топлива из клапанного блока 3100 может быть доставлен к отверстию впускного клапана двигателя, подходящей топливной форсунке цилиндра, и/или доставлен к форсунке, содержащей выбранные комбинации вариантов реализации, более подробно показанные на фиг. 4, 5, 6, 7, 10 и 11. В некоторых случаях применения, таких как двигатели с большим объемом цилиндров, необходимо доставлять топливо ко всем трем точкам впуска. В случаях, если топливо под давлением доставляется к отверстию впускного клапана камеры сгорания синхронизированным впрыском в момент времени, когда впускной канал или клапан являются открытыми, увеличенная подача воздуха и повышение объемного КПД достигаются путем импульсной передачи топлива чтобы вызвать нагнетание воздуха для повышения плотности воздуха в камере сгорания.
В таком случае топливо доставляется со скоростью, которая значительно превышает скорость воздуха, чтобы таким образом вызвать ускоренную подачу воздуха в камеру сгорания. Это преимущество может быть усилено путем управления количеством топлива, вводимого в камеру сгорания, которое должно быть меньше, чем требуется для инициирования или поддержания воспламенения искровым зажиганием. Однако такие обедненные воздушно-топливные смеси легко воспламеняются при впрыске топлива, а также с использованием воспламенения согласно вариантам выполнения форсунки, показанным на фиг. 4, 5, 6, 7, 10 и 11, которые предусматривают надежное воспламенение и быстрое проникновение воспламененного топлива в обедненную воздушно-топливную смесь, образованную при синхронизированном поцилиндровом впрыске топлива.
Дополнительная энергия может быть обеспечена непосредственным поцилиндровым впрыском посредством отдельной топливной форсунки, которая добавляет топливо к сгоранию, инициированному форсункой. Непосредственный впрыск посредством по меньшей мере одной отдельной цилиндровой форсунки в соответствии с шаблоном сгорания, который инициируется и управляется форсункой/запальной свечей, обеспечивает быстрое и полное сгорание в среде избыточного воздуха и снижает тепловые потери, обычно связанные с отдельным непосредственным впрыском и компонентами искрового зажигания, которые требуют, чтобы топливо образовывало завихрения, рикошетировало и/или отбрасывалось от поверхностей камеры сгорания и затем сгорало на поверхностях вокруг источника искрового зажигания или рядом с ними.
В больших высокооборотного двигателях и в случае, если необходимо минимизировать электрический ток и тепловыделение в кольцевой обмотке 3126, в частности предпочтительно объединенное использование кулачка с механическим приводом и соленоидного плунжера 3116 с шариком 3112. Такой подход обеспечивает основное перемещение плунжера 3116 за счет распределительного вала, такого как распредвал 3212, показанный на фиг. 9. После установления исходного клапанного действия шарика 3106, активированного кулачком, с подачей топлива, соответствующей режиму холостого хода двигателя, увеличенная подача топлива и повышенная выработка энергии достигаются увеличением "времени удерживания", в течение которого плунжер 3116 продолжает удерживаться вблизи ограничителя 3122 в результате формирования относительно малого электрического тока в кольцевой обмотке 3126. Таким образом, надежная работа клапана и точное управление повышенной мощностью обеспечиваются путем увеличения времени удерживания плунжера 3116 действием соленоида после быстрого открытия шарика 3106 под действием кулачка, как показано на фиг. 8A, 8B, 9 и 12.
Согласно аспектам настоящего изобретения двигатели с несколькими камерами сгорания обеспечиваются точно синхронизированной доставкой топлива посредством клапанного блока 3200 согласно варианту реализации настоящего изобретения, как показано на схеме управления топливом, представленной на фиг. 9. Как показано на чертеже, шесть клапанных блоков (3100) расположены в корпусе 3202 на равном угловом расстоянии друг от друга. Корпус 3202 обеспечивает подачу топлива под давлением в каждое входное отверстие 3206 клапанного блока посредством коллектора 3204. Кулачок, расположенный на распредвале 3212, периодически приводит в действие каждый узел 3210 толкателя и тем самым обеспечивает точное протекание топлива от входного отверстия 3206 к выходному отверстию 3208, соответствующему отверстию 3110 в клапанном блоке, показанном на фиг. 8B, из которого топливо доставляется к желательному отверстию впускного клапана и/или в камеру сгорания непосредственно или посредством форсунки/запальной свечи, как показано на фиг. 6, 7 и 10. Согласно некоторым вариантам реализации предпочтительно угловое положение корпуса 3202 адаптивно регулируется относительно распредвала 3212 для формирования искры зажигания и опережения впрыскивания в ответ на адаптивные алгоритмы оптимизации, которые осуществляются контроллером 3220, как показано на чертеже.
Согласно некоторым вариантам реализации контроллер 3220 и относящиеся к нему компоненты предпочтительно могут обеспечивать адаптивную оптимизацию подачи топлива в каждую камеру сгорания и результатов искрового зажигания, таких как дополнительное повышение КПД, увеличение выработки энергии, улучшение плавности работы двигателя, повышение отказоустойчивости и увеличение срока службы компонентов двигателя. Контроллер 3220 сохраняет показания датчика для определения времени между каждым ускорением крутящего момента цилиндра и получения положительного и отрицательного ускорений двигателя как функцию данных адаптивного впрыскивания топлива и синхронизации искрового зажигания для определения регулировок, необходимых для оптимизации желательных параметров работы двигателя.
В целом предпочтительно достижение максимального крутящего момента при минимальном потреблении топлива. Однако в местах, таких как переполненные городские улицы, в которых выбросы оксидов азота являются нежелательными, адаптивный впрыск топлива и угол опережения зажигания обеспечивают максимальный крутящий момент без пиковых температур сгорания, достигающих 2200°C (4000°F). Это достигается описанными и показанными вариантами реализации настоящего изобретения.
Пиковая температура сгорания предпочтительно определяется датчиком температуры пламени, в котором используется волоконно-оптический кабель малого диаметра или прозрачный изолятор 3072 большего диаметра, как показано на фиг. 10. Согласно некоторым вариантам реализации изолятор 3072 снабжен жаропрочным и износостойким покрытиями, такими как сапфир или алмазное покрытие, на поверхности, обращенной к камере сгорания, выполненной из высокотемпературного полимера или кварца, сапфира, или стекла в случае осуществления комбинированных функций в форсунке, включая световодную передачу излучения, испускаемого при сгорании, датчику 3062D контроллеров 3043 и/или 3432, как показано на чертеже. Контроллер 3043, например, отслеживает беспроводной сигнал от датчиков 3062D, расположенных в каждой камере сгорания, для адаптивного регулирования впрыска топлива и/или синхронизации искрового зажигания с целью предотвращения формирования окиси азота или других оксидов азота.
Согласно некоторым вариантам реализации предпочтительно использование выполненного литьем в форму изолирующего полимера со сквозным отверстием 3064 в светопроводе 3072 для высоковольтного контакта 3068, который защищает и герметизирует указанный контакт 3068, сопло 3070 и контроллер 3062, расположенный рядом с датчиками 3062D и 3062P, и в котором сформировано изолирующее гнездо 3066, как показано на чертеже. Согласно другим вариантам реализации предпочтительно использование этого же изолятора для формирования другого изолирующего гнезда 3066, подобного гнезду 3050, расположенного рядом но ниже и в повернутом положении относительно гнезда 3050, для защиты электрических соединений с контроллером 3062.
Согласно некоторым вариантам реализации в высокооборотных двигателях, а также в однороторных или одноцилиндровых двигателях может быть предпочтительным использование твердотельного контроллера 3062, как показано на фиг. 10, для обеспечения оптического отслеживания процессов в камере сгорания. Также предпочтительно использование встроенного по меньшей мере одного датчика 3062P давления на поверхности контроллера 3062 в местоположении, подобном местоположению датчика 3062D, или рядом с ним для выработки сигнала, пропорционального давлению в камере сгорания. Согласно некоторым вариантам реализации датчик 3062P давления отслеживает и сравнивает характеристики впуска, сжатия, выпуска и энергии в камере сгорания и формирует сравнительную основу для адаптивного управления впрыском топлива и углом опережения зажигания, как показано на чертеже.
Согласно одному варианту реализации управление дозированием топлива и воспламенением обеспечивается регулировкой длительности периода времени "включенного состояния" посредством распредвала 3212, как показано на фиг. 9, для работы двигателя в режиме холостого хода. Согласно некоторым вариантам реализации кулачок может быть расположен на расстоянии от клапанного элемента 3106 и воздействовать на него посредством толкателя, такого как толкатель 3112, и/или коромысла для дополнительной адаптации в случае необходимости к модифицированным условиям применения, а также к конкретным конфигурациям двигателей новых конструкций. Увеличенная частота вращения двигателя и выработка энергии обеспечиваются за счет увеличении времени "удерживания" плунжера 3116, толкатель 3112 и шарика 3106 посредством протекания слабого электрического тока в кольцевой обмотке 3126 для увеличения интервала времени подачи топлива после первоначального прохода вращающегося распредвала 3212. Таким образом может быть сформирована комбинированная механическая и электромеханическая система, действующая в полном диапазоне желательных частот вращения двигателя и мощностей.
Согласно настоящему изобретению воспламенение может быть инициировано различными средствами, включая эффект Холла, пьезоэлектрическую кристаллическую деформацию, фотооптическое или магнитное сопротивление, или другие бесконтактные датчики, которые обнаруживают распредвал 3212 или другие синхронно действующие средства и способы, такие как подсчет зубцов шестерни или использование оптического, магнитного, емкостного, индуктивного, магнитоэлектрического или других электрических эффектов, вызывающих изменение сигнала при перемещении плунжера 3116 внутри втулки 3124 и кольцевой обмотки 3126. После выработки указанного сигнала о перемещении плунжера предпочтительным является использование компьютера 3072 или отдельного вычислительного блока для двигателя, такого как 3220 или 3062, для обеспечения адаптивного впрыска топлива и синхронизации зажигания с целью оптимизации по меньшей мере одного желательного результата, выбранного из увеличенной выработки энергии, улучшенной экономии топлива, уменьшенного формирования окиси азота и облегченного запуска двигателя с минимальным потреблением энергии стартера, или с целью реверсирования направления вращения двигателя для устранения необходимости реверсной шестерни в трансмиссии.
Настоящее изобретение решает задачу отходов топлива, которые возникают, в случае если клапан, управляющий дозированием топлива, расположен на расстоянии от камеры сгорания. Указанная проблема состоит в продолжении протекания топлива после закрытия управляющего клапана и имеет результатом подачу топлива, когда оно не может быть воспламенено в течение оптимального временного интервала, наиболее предпочтительного в рабочем такте. Эта порция топлива пропадает впустую и вызывает ухудшение характеристик двигателя и выхлопной системы, особенно если топливо продолжает подтекать во время такта выпуска. Для преодоления этой трудной задачи доставки достаточных объемов газообразного топлива без подтекания и просачивания во момент времени, когда указанное топливо не может быть оптимально использовано, предпочтительным является использование форсунки 3028, 3029 или 3029 в качестве конечной точки доставки для быстрого и точного впрыскивания топлива в камеры сгорания двигателей внутреннего сгорания, которые питают энергией систему, показанную на фиг. 14, местных двигателей или двигателей для транспортных средств, которые питаются топливом, доставленным согласно настоящему изобретению.
Топливо для сгорания доставляется в форсунку, как показано на фиг. 10, с использованием подходящего давления, согласованного посредством входного отверстия 3042. В момент времени, подходящий для впрыска топлива в камеру сгорания модифицированного дизельного двигателя или двигателя с искровым зажиганием, используется узел 3043, 3044, 3046, 3048 и 3054 соленоидного исполнительного устройства. Ферромагнитный привод 3048 перемещается в ответ на электромагнитное усилие, возникающее при приложении к расположенному в изолирующем гнезде 3050 контакту 3052 напряжения, вызывающего электрический ток в кольцевых обмотках изолированного проводника 3046, в результате чего привод 3048 перемещается в направлении к полюсной части соленоидного сердечника, как показано на чертеже.
Привод 3048 относительно свободно перемещается в направлении к полюсной части электромагнита, как показано на чертеже, мимо неподвижного в данный момент времени диэлектрического волоконно-оптического кабеля 3060. После получения значительного импульса привод 3048 ударяет в шарик 3035, расположенный внутри пружины, как показано на чертеже. Шарик 3035 соединен с диэлектрическим волоконно-оптическим кабелем 3060, проходящим внутри пружины 3036. Такое быстрое приложение намного большего усилия, вызванного передачей импульса, чем может быть приложено соленоидным клапаном прямого действия, вызывает относительно небольшую инерцию нормально закрытого клапанного элемента 3074 при его резком подъеме от верхнего седла 3090 клапана, как показано на фиг. 10.
На фиг. 10 показан продольный разрез сборочного узласогласно варианту реализации, которым управляют в соответствии с вариантом реализации изобретения. На фиг. 11 показан вид с торца уплощенной упругой трубки 3094 сборочного узла, показанного на фиг. 10, выполненного в соответствии с вариантом реализации изобретения. На фиг. 12 показан вариант выполнения форсунки, которой управляют в соответствии с принципами настоящего изобретения. На фиг. 13 показан увеличенный вид с торца уплощенной трубки, показанной на фиг. 10. Согласно другому варианту выполнения многотопливной форсунки 3029' выбранное топливо доставляется в заданный момент времени для впрыска в уплощенную упругую трубку 3094, которая обычно является плоской и надувается топливом, которое входит в нее и придает указанной трубке скругленную форму для снижения сопротивления потоку, протекающему в камеру сгорания, как показано на фиг. 10 и 11. После завершения такого направленного потока топлива в камеру сгорания уплощенная упругая трубка 3094 сжимается по существу до нулевого "мертвого" объема в закрытом положении и таким образом эффективно действует в качестве затворного клапана, препятствующего обратному потока находящихся под повышенным давлением газов из камеры сгорания. Волоконный световод 3060 проходит сквозь регулирующий клапан 3074' ниже магнитного седла 3090 для отслеживания событий в камере сгорания при прохождении топлива в уплощенной трубке 3094 к центральной точке схождения прорезей 3088, как показано на чертеже, или согласно другому варианту реализации для прохождения как 3096 сквозь центральное отверстие из группы отверстий, расположенных под заданными углами, которые могут служить также и для распределения топлива для осуществления желательного сгорания стратифицированного заряда. (Этот дополнительный конкретный вид не показан).
На фиг. 10 показан профиль уплощенной упругой трубки 3094, который является плоским между впрыскиваниями топлива для эффективного действия в качестве затворного клапана, препятствующего выходу газов из камеры сгорания между впрыскиваниями топлива. На фиг. 13 показаны увеличенные виды с торца трубки в сплющенной форме и трубки, раздутой топливом до круглой формы, которая поочередно служит в качестве нормально закрытого затворного клапана и открытого канала для доставки топлива в камеру сгорания. Подходящие упругие полимеры, которые могут быть использованы в качестве материала изготовления для уплощенной упругой трубки 3094, включают политетрафторэтилен, этилентетрафторэтилен, перфторированный сополимер, полиэфирэфиркетон, и фторполимер, подходящие для широкого диапазона рабочих температур от -251°C до 215°C (от -420°F до +420°F). Предполагается, что такие плоские/круглые трубки при передаче топлива упруго раздуваются примерно до размера канала 3092 и сжимаются, занимая минимальное пространство в интервалах между впрыскиваниями порций топлива. Таким образом, уплощенная трубка, показанная на фиг. 13, может принимать серповидную, сплетенную, изогнутую и/или гофрированную форму в соответствии с размерами и геометрией канала 3092. Синергические преимущества состоят в охлаждении трубки 3094 протекающим топливом из теплообменника, как показано на фиг. 14, что способствует увеличению срока службы упругой трубки 3094.
В использовании, поскольку уплощенная упругая трубка 3094 сжимается после вспышек впрыснутого топлива, продукты горения проходят внутрь сквозь прорези 3088 и 3089 и заполняют пространство, оставленное между стенками канала 3092 сопла 3072 и уплощенной трубкой, как показано на виде с торца, представленном на фиг. 13. В адиабатических двигателях и двигателях, имеющих очень высокие характеристики, такая конструкция способствует передаче большого количества тепла к указанной плоской трубке и таким образом к топливу, которое циклически проходит через нее. В таких случаях особенным преимуществом является возможность нагрева протекающего в трубке плотного охлажденного или сверхохлажденного топлива. Эта уникальная конструкция также обеспечивает охлаждение верхних областей узла форсунки, сопровождаемое передачей тепла к топливу для повышения давления паровой фазы и/или возбуждения фазовых переходов непосредственно перед впрыском и воспламенением в камере сгорания. Таким образом, упругая трубка 3094 дополнительно может служить в качестве циклического теплообменника для улучшенной работы с различными видами топлива и условиями его использования, изменяющимися в широких пределах.
В случаях, если необходимо обеспечить запуск холодного двигателя и работать на топливных жидкостях с низким давлением паровой фазы, таких как метанол, этиловый спирт, дизельное топливо или бензин, форсунка 3028 или 3029 выполняет очень быстро повторяющиеся циклы открывания и закрывания регулирующего клапана 3074 и тем самым осуществляет подачу топлива новым способом, который обеспечивает чрезвычайно большую удельную поверхность (поверхность на единицу объема). При действии регулирующего клапана в рабочих циклах, таких как 0,0002 секунды в открытом положении и 0,0001 секунды в закрытом положении, которые достигаются ударным открывающим действием якоря 3048 на кабель или стержень 3060 и шарик 3074, имеющие очень малую инерционность, топливо впрыскивается из прорезей 3088 и 3089, как показано на фиг. 4 и 5, в форме структурированной последовательности разреженных и сгущенных волн, как показано на фиг. 2, 3A, 3B, 3C и 3D. Такой подход обеспечивает надежное искровое воспламенение, сопровождаемое высокой скоростью сгорания тонких, имеющих высокую удельную поверхность топливных слоев, в результате чего общие полные циклы впрыскивания составляют от примерно 0,001 секунды в режиме холостого хода до примерно 0,012 секунды во время ускорения двигателя. Такие структурированные плоские волны пленок впрыснутого из прорезей 3088 топлива обеспечивают значительно более поздний впрыск и более надежное воспламенение по сравнению с традиционными способами формирования воздушно-топливных смесей в форме гомогенного заряда смеси или компромиссных воздушно-топливных смесей в форме стратифицированного заряда путем отталкивания или рикошетирования от поверхностей камеры сгорания, как это требуется для нормальной работы отдельной топливной форсунки в сочетании со свечой зажигания.
Адаптивная синхронизация искрового зажигания с каждой волной впрыснутого топлива обеспечивает значительно улучшенное управление пиковой температурой сгорания. В использовании во время сгорания изначально обогащенной топливом смеси в первую очередь происходит сжигание топливной пленки, сопровождаемое переходом расширяющегося фронта горения в область избыточного воздуха, который окружает сгорающий стратифицированный заряд, в результате чего происходит сгорание удаленных обогащенных воздухом областей, и таким образом осуществляется надежное полное сгорание без превышения пиковой температуры сгорания, составляющей 2204°C (4000°F), и таким образом без формирования оксидов азота.
Сочетание описанных вариантов реализации обеспечивает способ и надежный процесс преобразования энергии, содержащий этапы, на которых сохраняют по меньшей мере одно топливное вещество в резервуаре, передают такое топливо и/или тепловую, термохимическую или электрохимическую производные такого топлива в устройство, которое по существу разделяет исполнительное устройство клапана, такое как исполнительное устройство 3048, от регулирующего клапана 3074, расположенного на граничной поверхности камеры сгорания двигателя, для управления указанным топливом или его производными посредством электрически изолированного кабеля и тем самым по существу для устранения подтекания топлива в произвольные моменты времени в камеру сгорания двигателя. Это сочетание обеспечивает эффективное использование фактически любого газообразного, парообразного, жидкого или сгущенного топлива независимо от удельной энергоемкости топлива, вязкости, или октанового или цетанового чисел. Подача достаточного электрического потенциала на или сквозь клапан 3074, расположенный рядом с камерой сгорания, обеспечивает адаптивное плазменное или искровое воспламенение впрыскиваемого топлива в точные моменты времени и таким образом оптимизирует работу двигателя.
Согласно аспектам настоящего изобретения система для многотопливного впрыска и воспламенения для преобразования энергии может быть применена к мобильным и стационарным двигателям. Гибридные транспортные средства и распределенные энергетические системы представляет собой особенно характерные примеры таких применений. В случаях, когда от двигателя 3430 необходимо получить максимальную мощность, предпочтительным является использование водорода, если таковой может быть подан из топливного бака 3404, или водородосодержащего топлива, изготовленного согласно варианту реализации 236, которое затем охлаждают в устройстве 3426 согласно варианту реализации, и/или путем смешивания с охлажденным исходным топливом из топливного бака 3404, и осуществляют впрыск стратифицированного заряда во время такта сжатия в двигателе 30 для охлаждения недросселируемого заряда воздуха для уменьшения обратной работы из-за работы сжатия, с адаптивной синхронизацией угла опережения зажигания для ускоренного сгорания водорода или водородосодержащего топлива и таким образом максимизации тормозного среднего эффективного давления (BMEP).
В случаях, когда необходимо минимизировать оксиды азота, предпочтительным является использование водорода или водородосодержащего топлива и адаптивное регулирование синхронизации впрыскивания и угла опережения зажигания для достижения максимального тормозного среднего эффективного давления без превышения пиковой температуры в камере сгорания, составляющей 2204°C (4000°F). В случаях, если необходимо обеспечить максимально тихую работу двигателя, предпочтительным является отслеживание рабочего шума с использованием по меньшей мере одного акустического датчика, такого как датчик 3417, расположенного рядом с выпускным коллектором и выхлопной трубой, и адаптивное регулирование синхронизации впрыска топлива и угла опережения зажигания с целью минимизации шума с акустическими длинами волн, воспринимаемых человеческим ухом. В случаях, если необходимо обеспечить максимальный срок службы двигателя, предпочтительным является адаптивное регулирование синхронизации впрыска топлива и угла опережения зажигания с целью достижения максимального тормозного среднего эффективного давления с минимальной передачей тепла к поверхностям камеры сгорания.
На фиг. 12 показан частичный вид типичного блока двигателя и компонентов головки и форсунки 3328, которые действуют согласно описанным вариантам реализации 3028, 3029 или 3029', с соответствующим исполнительным устройством топливного клапана, расположенным в верхней изолированной части 3340 и электрически изолированным от топливного регулирующего клапана, расположенного рядом с камерой сгорания, в которой шаблон 3326 впрыска стратифицированного топливного заряда является асимметричным, как изображено на чертеже, для реализации показанной на чертеже геометрии камеры сгорания. Такие асимметричные шаблоны распространения топлива предпочтительно формируются путем использования соответственно больших каналов для подачи топлива, таких как широкие промежутки в частях прорезей 3088 и 3089, показанных на фиг. 4, 5, 6, 7 и 10, для увеличения проникновения топлива, входящего в камеру сгорания, вдоль соответствующих лучей проникновения топлива по шаблону 3326, как показано на чертеже, для оптимизированного использования воздуха в качестве агента горения и изолирующего избыточного воздуха, окружающего область горения, для минимизации потерь тепла, отходящего к компонентам поршневой головки, включая впускной или выпускной клапан 3322, или блоку двигателя, включая охладитель в каналах, как показано на чертеже.
В случаях, если необходимо максимизировать выход оксидов азота для целей медицинского, промышленного, химико-синтетического и сельскохозяйственного применений, предпочтительным является максимизация температуры сгорания стратифицированного заряда и работа поршней с высокими скоростями для быстрого образования и выпуска оксидов азота, сформированных в камере сгорания. В этом случае обеспечивается комбинированное изготовление необходимых химических элементов и эффективная выработка двигательной энергии для выработки электричества, тягового усилия и/или для других применений, использующих мощность на валу двигателя. Система, комбинирующая работу, как описано выше и показано на фиг. 4, 6, 8, 9, 10 и 12, является особенно эффективной в обеспечении указанных новых результатов и преимуществ.
На фиг. 14 схематически показаны разрезы некоторых компонентов системы 3402, выполненный в соответствии с вариантом реализации изобретения. В частности, на фиг. 14 показана система 3402, посредством которой варианты выбора топлива с изменяющимися в широких пределах температурой, удельной энергоемкостью, давлением паровой фазы, скоростью сгорания и потребностью в использовании воздуха надежно сохраняются и с возможностью взаимозамены используются при впрыскивании и воспламенении в камере сгорания. Система 3402 может содержать топливный бак 3404, имеющий непроницаемую и химически совместимую с топливом облицовку 3406, которая обернута достаточным количеством армирующего волокна и выдерживает испытательное давления по меньшей мере 7000 атмосфер и циклическое рабочее давление по меньшей мере 3000 атмосфер, необходимое для хранения газов и/или паров жидкостей, имеющих плотность охлажденных паров, жидкостей или твердых частиц.
Как дополнительно показано на фиг. 14, регулятор 3412 может доставлять топливо в топливный элемент 3437 посредством регулирующего клапана 3439. Согласно одному варианту реализации топливный элемент 3437 может быть обратимым топливным элементом, выполненным с возможностью выработки водорода из сырья, такого как вода, и может быть любого подходящего типа, включая низкотемпературный и высокотемпературный топливные элементы, а также топливные элементы с различными типами электролита. Согласно настоящему варианты реализации топливо, сохраненное в топливном баке 3404, может быть преобразовано в распыленное топливо, которое является более подходящим для более эффективного преобразования в топливном элементе 3437 по сравнению с системой, которая вырабатывает такое предпочтительное распыленное топливо традиционными способами. Таким образом, сочетание таких компонентов и операций обеспечивает чрезвычайно эффективную гибридизацию и удобство в достижении высоких КПД и функциональности.
Согласно одному варианту реализации топливный бак 3404 может быть быстро заполнен топливом, протекающим сквозь различные клапаны, например, заправочную горловину 3410, первый четырехходовой клапан 3411 и второй четырехходовой клапан 3414, как показано на фиг. 14. Отражающие диэлектрические слои 3416 и уплотняющий слой 3418 обеспечивают теплоизоляцию и поддержку узла давления, конструкция которого предназначена для поддержки и защиты системы хранения при минимальной передаче тепла к хранилищу 3406 или от него, как показано на чертеже. Согласно аспектам варианта реализации диэлектрические слои 3416 и уплотняющий слой 3418 могут быть покрыты отражающими металлами. Например, прозрачные пленки из стекла или полимеров с одной стороны могут быть покрыты очень тонким слоем отражающих металлов, такими как алюминий или серебро, для обеспечения отражения лучистой энергии и уменьшения теплопроводности. Согласно дополнительным вариантам реализации сами диэлектрические материалы могут обеспечивать отражение благодаря разности коэффициентов преломления между материалами, выбранными для перемежающихся слоев.
Согласно дополнительным аспектам настоящего изобретения может быть учтен период времени, необходимый для существенного использования наиболее охлажденного топлива, сохраненного в узле давления. Например, выбранные эффективная длина теплопроводящего пути и количество отражающих слоев изоляции 3416 могут обеспечить блокирование теплопередачи, достаточное для минимизации или предотвращения влажности, конденсации иобразования льда в снабженной уплотнением поверхности 3418. Соответственно, топливный бак 3404 может быть соответствующим образом усовершенствован для хранения под давлением как низкотемпературных твердых веществ и жидкостей, так и паров, которые под давлением превращаются в жидкость с очень большой удельной энергоемкостью при температуре окружающей среды. Подобным образом узел 3404 может быть заполнен текучими средами, например охлажденными этаном и пропаном, без риска повышения давления, которое происходит, если топливный бак нагревается до температуры окружающей среды.
Согласно дополнительным аспектам настоящего изобретения топливный бак 3404 также может обеспечивать безопасное хранение твердых веществ, таких как сгустки сверхохлажденного твердого водорода в низкотемпературном жидком водороде и сверхохлажденного твердого метана в низкотемпературном жидком водороде или метане. Плавление таких твердых веществ и формирование из них жидкостей с последующим нагревом таких жидкостей для образования пара является предпочтительным в безопасных условиях хранения узла давления, в то время как образование льда на поверхности 3418 и вытекающее из него повреждение компонентов предотвращено теплоизолирующей системой 3416 и уплотняющим слоем 3418.
Согласно дополнительным аспектам настоящего изобретения виды жидкого топлива, подходящие для передачи в топливный бак 3404 и хранения в нем, включают низкотемпературный водород и/или метан. В использовании может быть удобным заполнение топливного бака 3404 этаном, пропаном, бутаном, метанолом или этанолом и хранение в нем указанных видов топлива. Кроме того, бензин или чистое дизельное топливо также могут храниться в топливном баке 3404 после соответствующей обработки топливного бака 3404 по меньшей мере с двумя топливными баками этанола или метанола перед очередным заполнением бака низкотемпературным топливом. Соответственно, обеспечивается удобное хранение широкого диапазона наиболее предпочтительных видов топлива с предотвращением загрязнения и низкими затратами. Согласно аспектам настоящего изобретения в городских районах предполагается использование водорода для предотвращения загрязнения воздуха при взаимозаменяемом использовании возобновляемых производных газообразных смесей водорода и моноксида углерода, метанола, этанола, этана или пропана. Это обеспечивает возможность и облегчает конкуренцию для фермеров и предпринимателей, изготавливающих и продающих различные виды топлива для удовлетворения потребностей владельцев транспортных средств и поставщиков комбинированной энергии, которые осуществляют длительное хранение различных видов топлива и/или малозатратных видов топлива.
Как показано на фиг. 14, при открывании/закрывании клапана 3414 осуществляется забор топлива из нижней части топливного бака 3404 с использованием сетчатого фильтра 3420 или из верхней части указанного топливного бака с использованием сетчатого фильтра 3422 в соответствии с выбранным путем потока топлива, как показано на чертеже. В случаях, если сохраняющие узлы давления топливного бака эксплуатируются в тяжелых условиях, топливо, содержащееся в баке, поддерживается в безопасности благодаря облицовке 3406 и встроенной арматуре. Согласно аспектам настоящего изобретения узел внешней рубашки, выполненный в форме диэлектрического слоя 3416 и уплотняющего слоя 3418, минимизирует излучающую, проводящую и конвекционную теплопередачу, повышает класс пожаростойкости при отраженном излучении, изолирует от всех форм приема тепла и рассеивает собственное тепло в течение значительно более длительного времени по сравнению с традиционными топливными баками.
Согласно дополнительным вариантам реализации в случае расширенного контакта с огнем температура узла давления или давление хранения в конечном счете могут достичь уровня, на котором требуется спуск давления. В точке, в которой температура и/или давление поднялись до соответствующей процентной доли от максимального допустимого уровня хранения, используются встроенный датчик 3431 давления и датчик 3433 температуры, передающие информацию посредством беспроводного, волоконно-оптического или проводного соединения в контроллер 3432 "черного ящика", который сигнализирует четырехходовому клапану 3414 о необходимости первоочередной передачи дополнительного топлива в двигатель 3430, как показано на чертеже. Если двигатель 3430 в данный момент не действует, контроллер 3432 опрашивает его состояние для определения безопасности немедленного пуска двигателя с нагрузкой или без нагрузки. В использовании, двигатель 3430 может быть запущен и/или переведен в режим работы с достаточной скоростью потребления топлива для предотвращения превышения порогового давления или пороговой температуры в узле 3404 топливного бака.
Как показано на фиг. 14, система 3402 содержит форсуночное устройство 3428 для облегчения быстрого автоматического запуска двигателя 3430 и, в отличие от предпочтительного нормального режима работы с высокой производительностью, изменением впрыска и углом опережения зажигания может задавать режим работы двигателя с низкой топливной экономичностью для осуществления сгорания гомогенного заряда топливной смеси и значительной обратной работой. Согласно аспектам данного варианта реализации в указанном режиме топливо может потребляться намного быстрее, чем в режиме с высокоэффективным сгоранием стратифицированного заряда при адаптивном управлении впрыском топлива и углом опережения зажигания для оптимизации теплового КПД. Согласно настоящему изобретению форсуночное устройство 3428 также облегчает работу двигателя во время ненормального ограничения подачи воздуха в двигатель 3430 ("дросселируемого впуска воздуха") для формирования впускного вакуума, в результате чего система подачи топлива значительно снижает давление и тем самым обеспечивает возможность парообразования в баке 3404 или отсасывает топливные пары и таким образом вызывает испаряющее охлаждение топлива в случае, если необходимо скомпенсировать значительный прирост тепла из-за длительного действия огня на топливный бак 3404. Такие способы полезного применения топлива из топливного бака 3404 вместо выброса топлива в атмосферу для уменьшения давление во время контакта с огнем являются более предпочтительными, поскольку мощность двигателя может быть использована в водонасосных установках с одновременным охлаждением топливного бака и гашением огня или обеспечением тягового усилия для выхода из зоны огня. Этот режим безопасного управления ресурсами для устранения опасности является наиболее подходящим для стационарных энергоустановок и для транспортных средствах аварийно-спасательных служб, в частности лесных и гражданских противопожарных служб.
Если такие меры предосторожности не достаточны для предотвращения превышения давления или температуры в топливном баке 3404, дополнительное топливо выпускается средством для сброса давления, расположенным в клапане 3414, в воздух с использованием безопасной выводной трубы 3434, как показано на чертеже. Безопасная выводная труба 3434 предпочтительно выходит в безопасную зону 3465, предназначенную для отвода горячих газов, такую как дымоход или выхлопная труба транспортного средства, и таким образом предотвращает нанесение ущерба человеку или материальным ценностям.
Как дополнительно показано на фиг. 14, является предпочтительным использование водорода из аккумулятора 3419 посредством регулятора или подобного регулятору устройства для подачи обработанного топлива в качестве буферного газа для вращающегося оборудования, такого как генераторы электроэнергии и двигатель 3430, с целью удаления тепла, выработанного указанным вращающимся оборудованием, и для уменьшения потерь из-за сопротивления воздуха и фрикционных потерь. Было выяснено, что чистота такого водорода не является критическим фактором, и может присутствовать существенное количество метана, моноксида углерода и т.п. без вреда для вращающегося оборудования, и что в результате такого использования могут быть значительно повышены КПД и производительность преобразования энергии. Таким образом, фактически любое исходное топливо, которое содержит водород или реагирует с соединением, содержащим водород, таким как вода, с последующим изготовлением водорода, может быть преобразовано согласно вариантам реализации настоящего изобретения для охлаждения водорода и снижения потерь сопротивления воздуха в генераторах и повышения КПД и безопасности двигателей внутреннего сгорания. Варианты реализации, показанные на фиг. 14, наряду с устройствами 3028, 3029, 3100, 3200 и 3029' обеспечивают использование водород, имеющего низкую удельную энергоемкость, в качестве превосходного теплоносителя и в качестве предпочтительного топлива для топливного элемента 3437 и двигателя 3430.
Особенно важное применение состоит в использовании такого водорода для снижения рабочей температуры в обмотках вращающихся электрогенераторов для повышения эффективности их работы и производительности преобразования энергии. После нагрева при проходе сквозь такое вращающееся оборудование водород может быть направлен к картеру поршневого двигателя и затем к форсункам и/или клапанному узлу 3200 таких двигателей для использования в качестве топлива. Это повышает эффективность применений, связанных с комбинированной генерацией, и увеличивает производительность результирующей системы. Заполнение картера 3455 поршневого двигателя водородной атмосферой повышает эксплуатационную безопасность за счет того, что в картере не может образоваться горючая смесь воздуха и водорода для поддержания непреднамеренного воспламенения. Такая атмосфера с низкой вязкостью синергически уменьшает сопротивление воздуха и фрикционные потери при относительном движении компонентов двигателя. Это также значительно увеличивает срок службы смазочных материалов благодаря устранению нежелательных окислительных реакций между кислородом и масляными пленками и капельками, которые образуются в картере. Поддержание сухой водородной атмосферы в картере, температура которой выше температуры испарения воды, обеспечивает дополнительное преимущество, состоящее в удалении воды и предотвращении коррозии подшипников и кольцевых уплотнений, и т.п., благодаря присутствию электролитической воды.
Такое увлажнение водородом в соединении с удалением воды из картера является чрезвычайно предпочтительным для обслуживания протонообменной мембраны (PEM) в топливных элементах, таких как 3437, в частности в гибридизированных применениях. Это обеспечивает чрезвычайно гибкую и эффективную работу систем, основанных на вариантах реализации настоящего изобретения, показанных на фиг. 14, которые пользуются большим спросом в диапазоне выходных мощностей от нескольких киловатт, как у топливного элемента 3437, до нескольких мегаватт при объединении указанного мотор-генератора с таким топливным элементом для удовлетворения спроса, изменяющегося из-за суточных колебаний, потребностей, вызванных сезонными изменениями погоды, или в силу технологических требований.
При нормальной работе, в условиях запуска холодного двигателя с холодным топливом в топливном баке 3404, из верхней части топливного бака 3404 извлекают пары топлива через сетчатый фильтр 3422, многоходовой клапан 3414 и подают по изолированному трубопроводу 3425 к форсуночному устройству 3428 для впрыскивания и воспламенения с последующим сгоранием стратифицированного заряда и быстрым нагревом избыточного воздуха во всех камерах сгорания двигателя 3430, которые выполняют рабочий такт. Если необходимо получить более высокую мощность по сравнению с обеспеченной устойчивым текущим расходом топливных паров, поданных из верхней части топливного бака 3404, то из нижней части топливного бака 3404 через сетчатый фильтр 3420 берут жидкое топливо, которое доставляют к форсуночному устройству 3428. Согласно аспектам настоящего изобретения после разогрева двигателя тепло выхлопа может быть использовано для повышения давления и выпаривания жидкого топлива в теплообменнике 3436. Согласно другим дополнительным аспектам настоящего изобретения теплообменник 3436 может содержать по меньшей мере один встроенный подходящий катализатор для выработки нового распыленного топлива из жидкого топлива, пара или газообразных компонентов топлива.
Согласно настоящему изобретению и в зависимости от химического состава топлива, размещенного в топливном баке 3404, теплообменник 3436 может формировать различные виды водородосодержащего топлива для улучшения работы двигателя 3430. Например, влажный метанол может быть выпарен и диссоциирован добавлением тепла для изготовления водорода и моноксида углерода, как показано в Равенстве 1:
Выражение 1
2CH3OH+H2O+ТЕПЛО --> 5H2+CO+CO2.
Как показано в Равенстве 2, эндотермическое преобразование недорогого влажного этанола может быть обеспечено теплом и/или добавлением донора кислорода, такого как вода:
Выражение 2
C2H5OH+H2O+ТЕПЛО --> 4H2+2CO
Соответственно, настоящий вариант реализации обеспечивает использование спиртов, изготовленных из биомассы намного более дешевыми способами, при которых существенное количество воды остается смешанным со спиртом, поскольку он изготовлен путем деструктивной дистилляции, синтезом моноксида углерода и водорода и/или ферментацией и дистилляцией. В использовании это обеспечивает более предпочтительную экономию энергии, поскольку для изготовления влагосодержащего спирта требуется меньшее количество энергии и менее дорогое производственное оборудование, чем для изготовления чистого спирта. Без теоретических подробностей, процесс и система, описанные здесь, дополнительно облегчают использование отходящего тепла от двигателя для эндотермического создания водорода и топливных производных моноксида углерода и получения до 25% больше энергии сгорания по сравнению с чистым спиртом. Дополнительные преимущества могут быть получены за счет улучшенных характеристик более быстрого и чистого сгорания, обеспеченных водородом. Соответственно, использование форсуночного устройства 3428 для дозирования и воспламенения таких водородосодержащих топливных производных, как стратифицированный заряд в недросселируемом воздухе позволяет повысить общую топливную экономичность более чем на 40% по сравнению со сгоранием гомогенного заряда топливной смеси на основе чистого спирта или спиртов.
Согласно другим дополнительным вариантам реализации вода для эндотермических реакций, показанных в Равенствах 1 и 2, может быть извлечена из вспомогательного водного резервуара-хранилища 3409 и/или отобрана из потока выхлопа и добавлена в дополнительный бак 3409, или получена путем предварительного смешивания воды и, в случае необходимости, стабилизатора растворимости с топливом, сохраненным в топливном баке 3404, и/или может быть собрана из атмосферного конденсата в канале 3423 для воздушного потока, проходящего над поверхностью теплообменника 3426. Как показано на фиг. 14, насос 3415 обеспечивает доставку воды через затворный клапан 3407 в теплообменный реактор 3436 со скоростью, пропорциональной расходу топлива через клапан 3411 и затворный клапан 3407, для поддержания реакций стехиометрического преобразования.
Топливные спирты, такие как этанол, метанол, изопропиловый спирт, и т.п., растворяются в воде в стехиометрических пропорциях и при эндотермическом преобразовании образуют значительно больше водорода, как в целом показано и получено в итоге в Равенствах 1 и 2. Это обеспечивает возможность изготовления большого количества дешевого топлива для предпочтительного использования, например, на фермах и в других малых предприятиях. Экономия стоимости происходит помимо прочего за счет снижения энергии на рафинацию для удаления воды и транспортировку из отдаленных перерабатывающих предприятий.
При сжигании любого углеводородного, водородного или водородосодержащего топлива в двигателе 3430 в выхлопе двигателя образуется вода. Согласно аспектам настоящего изобретения значительная часть такой воды в выхлопном потоке может быть извлечена посредством, например, водосъемника 3405 после охлаждения отработанных газов до температуры ниже точки росы. Согласно одному варианту реализации противоточный теплообменник/реактор 3436 обеспечивает большую часть тепла, если не все тепло, необходимое для эндотермических реакций, описанных Равенствами 1 и 2, и в значительной мере охлаждает выхлоп. В зависимости от скоростей противотекущих потоков и площади поверхности, выхлопные газы могут быть охлаждены до температуры, близкой к температуре хранения топлива. Это легко обеспечивает конденсацию воды, и в многочисленных дополнительных новых вариантах реализации настоящее изобретение, использующее это применение, может сочетаться с процессами хранения топлива, и/или для использования тепла выхлопа для питания циклов дополнительной выработки энергии, и/или в сочетании с гибридизированными двигателями, электролизерами, обратимыми топливными элементами, и/или для сбора воды, как описано в патентах США №№ 6756140; 6155212; 6015065; 6,446,597; 6503584; 5343699; 5394852 и в любой безусловной патентной заявке, заявляющей приоритет над находящейся в совместном рассмотрении предварительной патентной заявке № 60/551219, которые посредством ссылки полностью включены в настоящую заявку.
В случаях, если недостаточно тепла или температура, необходимая для эндотермических реакций преобразования в реакторе 3436, не достигается, насос 3403 может подавать обогащенные кислородом отработанные газы в реактор 3436, как показано на фиг. 14. Использование насоса согласно настоящему варианту реализации облегчает сочетание экзотермических реакций между кислородом и присутствующим распыленным топливом для выработки моноксида углерода и/или диоксид углерода наряду с водородом вместе с эндотермическими реакциями преобразования, которым способствует дополнительная теплоотдача. При традиционном использовании продуктов реакций в реакторе 3436 вырабатываются нежелательные побочные продукты, такие как азот, однако форсуночное устройство 3428 выполнено с возможностью впрыскивания и быстрой доставки в камеру сгорания больших объемов газа в момент верхней мертвой точки или около него, или в течение периода рабочего такта и при условиях, которые не ухудшают объемный или тепловой КПД двигателя 3430.
Таким образом, топливо, содержащее водород, хранится в топливном баке 3404 в любом из следующих состояний, включая низкотемпературное сгущенное топливо, низкотемпературную жидкость, холодный пар под давлением, адсорбированное вещество, сверхкритическую текучую среду при окружающей температуре и текучую среду при окружающей температуре, с добавлением тепла от выхлопа двигателя и от преобразованного топливного вещества с повышенной температурой, включая горячие пары, новые химические вещества и смеси новых химических веществ с горячими парами, впрыснутых в камеру сгорания двигателя и воспламененных в ней. Из отработанных газов двигателя 3430 также может быть извлечено достаточное тепло для значительной конденсации воды, которая предпочтительно собирается для использования в эндотермических реакциях в более высоких температурных областях реактора 3436 с топливом, содержащим водород, для изготовления водород, как показано на чертеже. В равенстве 3 показано получение тепла и воды в результате сжигания углеводородного топлива, такого как метан:
Выражение 3
CH4+3O2 --> CO2+2H2O
В равенстве 4 показан общий процесс преобразования углеводородов, таких как метан, этан, пропан, бутан, октан, бензин, дизельное топливо, и других видов топлива, имеющих более тяжелые молекулы, с водой для формирования смесей водорода и моноксида углерода:
Выражение 4
CxHy+XH2O+ТЕПЛО --> (0,5Y+X) H2+XCO
Из равенств 3, 5 и 6 видно, что количество воды, полученное после сгорания углеводорода, такого как метан, в два или три раза больше, чем необходимо для преобразования метана в более предпочтительное водородосодержащее топливо:
Выражение 5
CH4+H2O+ТЕПЛО --> 3H2+CO
В равенстве 6 показано преимущество преобразования углеводорода, такого как метан, и сжигания результирующего распыленного топлива из Равенства 5 для изготовления газов, расширяющихся в большей степени во время рабочего такта в камере сгорания, наряду с изготовлением большего количества воды для реакции преобразования в реакторе 3436.
Выражение 6
3H2+CO+2O2 --> 3H2O+CO2
Соответственно, реакция преобразования метана с водой для изготовления и сжигания генераторного газа (водород и моноксида углерода) обеспечивает большую энергию сгорания и примерно в три раза больше воды, чем необходимо для эндотермического преобразования метана в реакторе 3436. Таким образом, в транспортном средстве или стационарной установке согласно настоящему изобретению наряду с водой, конденсированной в теплообменнике 3426, может быть собрано вполне достаточное количество воды. Сбор воды уменьшает собственный вес, поскольку в двигателе 3430 большая весовая часть воды, используемой в реакторе 3436, получена из сгорания содержащегося в воздухе кислорода с водородом или водородосодержащим топливом. Таким образом, каждый грамм водорода соединяется с восьмью граммами атмосферного кислорода для получения девяти граммов воды, собранной из выхлопа двигателя 3430.
Согласно другим дополнительным вариантам реализации соответствующим образом очищенная вода может быть использована для управления по меньшей мере одним процессов электролиза при высокой или низкой температурах, которые могут быть достигнуты за счет теплообмена с двигателем 3430 или холодным топливом из топливного бака 3404 для поддержания операций регенерации в гибридных транспортных средствах и/или выравнивающих нагрузку операций наряду с каталитическими реакциями в теплообменнике 3436. Этот вариант реализации способствует повышению общей эффективности использования энергии, полученной в результате синергических сочетаний, описанных в настоящей заявке, и является дополнительно предпочтительной, поскольку такая вполне достаточная чистой подача воды не требует использования громоздкой и нуждающейся в частом обслуживании обратноосмотический системы дистилляции или другого дорогостоящего и энергозатратного оборудования.
Другие преимущества, которые обеспечиваются изготовленными согласно настоящему изобретению водородосодержащими видами топлива, состоят в следующем:
Водород горит в 7-10 раз быстрее метана и подобных ему углеводородов, что позволяет задавать угол опережения зажигания намного позже по сравнению с исходными углеводородными видами топлива, а также позволяет предотвратить значительную обратную работу и тепловые потери, которые могут быть вызваны воспламенением в ранние моменты тактов сжатия.
Водород и моноксид углерода, изготовленные в результате эндотермических реакций преобразования, во время сгорания повышают выработку тепла до 25% по сравнению с исходным углеводородным топливом. Этот эффект имеет место благодаря термодинамическому вкладу эндотермического тепла при формировании водорода и моноксида углерода из исходного углеводорода. Этот способ в частности является предпочтительным для использования отходящего тепла от рубашки водяного охлаждения двигателя или системы воздушного охлаждения наряду с более высоким количеством тепла от выхлопной системы, как показано на чертеже.
Водород сгорает очень чисто, надежно обеспечивает чрезвычайно быстрое распространение фронта пламени и в среде избыточного воздуха обеспечивает полное сгорание любых углеводородов, полученных в результате реакции преобразования, которые становятся дополнительными компонентами водородосодержащих воздушнотопливных смесей.
Быстрое сгорание водорода и/или другого распыленного топлива в присутствии водяных паров, которые доставляются форсуночным устройством 3428, быстро нагревает такие пары для расширения изолированного стратифицированного заряда и совершения работы в камере сгорания с обеспечением намного большей производительности по сравнению со способами расширения гомогенного заряда на основе водяного пара.
Быстрый нагрев водяных паров наряду с изготовлением водяных паров при сгорании существенно уменьшает содержание оксидов азота путем снижения пиковой температуры продуктов сгорания и синергичной реакцией таких реактивных водяных паров с оксидами азота для значительного уменьшить конечного выхода и наличия оксидов азота в отработанных газах.
Быстрое воспламенение и нагрев путем быстрого сгорания водородосодержащего окисленного топлива благодаря уникальной конструкции форсуночного устройства 3428 обеспечивает больше времени в камере сгорания для предпочтительных синергичных реакций, в результате которых полностью окисляются все компоненты топлива и уменьшается содержание оксидов азота в выхлопном потоке.
На фиг. 15A-15D последовательно показаны результаты сгорания стратифицированного заряда при использовании исполнительного устройства для активации клапана, такого, как в целом описанный пьезоэлектрический или электромагнитный якорь, который расположен в верхней части форсуночного устройства 3428 и является электрически изолированным от регулирующего клапана 3584, но механически связан с регулирующим клапаном 3584, расположенным у граничной поверхности камеры сгорания, как показано на чертеже. В этом случае управляющий расходом элемент 3584 служит в качестве выполненного с возможностью перемещения регулирующего клапана, который смещается в направлении к камере сгорания для впрыскивания топлива и перемещается вверх в нормально закрытое положение, чтобы служить в качестве затворного клапана, противостоящего давлению газообразных продуктов сгорания. Происходит воспламенение впрыснутого топлива, плазменный разряд распространяется под действием электрического потенциала, приложенного между заземленными на корпус головкой или блоком двигателя и изолированным узлом регулирующего клапана 3584, как показано на чертеже.
Диэлектрические особенности встроенных форсунок/запальных свеч
На фиг. 16 показан частичный разрез вида сбоку форсунки 410, выполненной в соответствии с вариантом реализации изобретения. Форсунка 410, показанная на фиг. 16, иллюстрирует некоторые особенности диэлектрических материалов, которые могут быть использованы согласно некоторым вариантам реализации изобретения. Показанная на чертеже форсунка 410 содержит некоторые особенности, которые могут быть по меньшей мере в целом подобными по своей структуре и функциям соответствующим особенностям форсунок, описанных выше и показанных на фиг. 1-3D. Например, форсунка 410 содержит корпус 412, который имеет сопловую часть 418, проходящую от средней части 416. Сопловая часть 418 проходит в отверстие или впускной канал 409, выполненный в головке двигателя 407. Различные двигателей, такие как дизельные двигатели, имеют впускные каналы 409 с очень малыми диаметрами (например примерно 7,09 мм или 0,279 дюйма в диаметре). Такие малые размеры с трудом обеспечивают достаточную изоляцию для искрового или плазменного воспламенения распыленного топлива, которые предполагаются в настоящем изобретении (например, видов топлива, энергетическая плотность которых примерно в 3000 раз меньше, чем у дизельного топлива). Однако, как подробно описано ниже, форсунки согласно настоящему изобретению имеют корпуса 412 с диэлектрическими или изолирующими материалами, которые обеспечивают достаточную электрическую изоляцию для изготовления высоковольтного (например 60000 В) провода и/или зажигания (например, искрового или плазменного зажигания) при очень малых расстояниях. Эти диэлектрические или изолирующие материалы также отличаются стойкостью и защищенностью против окисления или другого ухудшения характеристик из-за циклического контакта с высокотемпературными газами под высоким давлением, образующимися при сгорании топлива. Кроме того, как подробно описано ниже, эти диэлектрические материалы могут быть выполнены с возможностью встраивания в них оптических или электрических каналов связи, проходящих от камеры сгорания к датчику, такому как преобразователь, измеритель, фильтр, усилитель, контроллер и/или компьютер. Кроме того, изолирующие материалы могут быть жестко соединены или интегрированы в месте расположения уплотнения с металлической основной частью 414 корпуса 412.
Особенности спиральной навивки диэлектрика
Согласно одному варианту выполнения корпуса 412 форсунки 410, показанной на фиг. 16, диэлектрические материалы, содержащие среднюю часть 416 и/или сопловую часть 418 форсунки 410, показаны на фиг. 17A и 17B. Более конкретно, на фиг. 17A показан вид сбоку изолятора или диэлектрического корпуса 512, и на фиг. 17B показан разрез вида сбоку по существу вдоль линий 17B-17B, показанных на фиг. 17A. Несмотря на то, что корпус 512, показанный на фиг. 17A, в целом имеет цилиндрическую форму, согласно другим вариантам реализации корпус 512 может иметь другие формы, включая, например, сопловые части, проходящие от корпуса 512 в направлении к граничной поверхности 531 камеры сгорания. Как показано на фиг. 17A и 17B, в показанном варианте реализации диэлектрический корпус 512 имеет спиральный или навитый нижний слой 528. Согласно некоторым вариантам реализации нижний слой 528 может быть выполнен из искусственной или натуральной слюды (например листовой слюды без микроканалов). Однако согласно другим вариантам реализации нижний слой 528 может быть выполнен из других материалов, обеспечивающих достаточную электрическую прочность при их относительно малой толщине. В показанном варианте реализации по меньшей мере одна сторона нижнего слоя 528 покрыта относительно тонким диэлектрическим покрывающим слоем 530. Покрывающий слой 530 может быть выполнен из высокотемпературного высокочистого полимера, такого как тефлон NXT, динеон TFM, парилен HT, полиэфирсульфон и/или полиэфирэфиркетон. Однако согласно другим вариантам реализации покрывающий слой 530 может быть выполнен из других материалов, подходящих для соответствующего уплотнения нижнего слоя 528.
Нижний слой 528 и покрывающий слой 530 могут иметь плотную спиральную навивку, которая формирует трубку и таким образом образует последовательные слои листов комбинированных нижнего слоя 528 и покрывающего слой 530. Согласно некоторым вариантам реализации эти слои могут быть соединены в навитой конфигурации подходящими адгезивами (например керамоцемент). Согласно другим вариантам реализации эти слои могут быть пропитаны полимером, стеклом, высокодисперсным оксидом кремния или другими подходящими материалами для обертывания корпуса 512 в форме плотно навитой трубки. Кроме того, листы или слои корпуса 512 могут быть разделены наложенными последовательно разнородными пленками. Например, разделяющие пленки между слоями корпуса 512 могут включать парилен N, уложенный поверх парилена C, уложенного поверх парилена HT, а также слои пленки и/или слои, разделенные пленками из других материалов, таких как тонкий нитрид бора, полиэфирсульфон или полиолефин, такой как полиэтилен, или другие подходящие для разделения материалы. Такие разделяющие пленки также могут быть сформированы под действием высокой температуры или давления из волокон, например, из волокон монокристаллического сапфира. Такие волокна могут быть изготовлены выращиванием методом пьедестала с использованием теплового лазера и впоследствии могут быть покрыты перфторированным этиленпропиленом (фторполимером) или другими материалами с подобным коэффициентом преломления для предотвращения утечки энергии из волокон в потенциально поглощающие пленки, которые окружают такие волокна.
Покрывающий слой 530, примененный в форме относительно тонких пленок (например от 0,1 до 0,3 мм), может обеспечить электрическую прочность примерно от 2,0 КВ/0,001 дюйма до 4,0 КВ/0,001 (от 787,4 КВ/см до 1574,8 КВ/см) при температуре от -30°C (например -22°F) до примерно 230°C (например 450°F). Было выяснено, что покрывающие слои 530 с большей толщиной не обеспечивают достаточную изоляцию для обеспечения необходимого напряжения для воспламенения. В частности, как показано в Таблице 1, представленной ниже, покрывающие слои с большей толщиной имеют значительно уменьшенную электрическую прочность. Эта уменьшенная электрическая прочность может оказаться недостаточной для предотвращения электрической сквозной дуги и утечки тока через изолирующий корпус 512 в моменты времени, когда в камере сгорания необходимо осуществить воспламенение (например искровое или плазменное). Например, в различных двигателях с высоким давлением сжатия, например типичных дизельных двигателях или двигателях с турбонаддувом, напряжение, необходимое для инициирования воспламенения (например, путем искрового или плазменного зажигания) составляет примерно 60 КВ или больше. Традиционный диэлектрический корпус, содержащий трубчатый изолятор с эффективной толщиной стенки только 0,04 дюйма (1 мм) или больше, выполненной из традиционного изолирующего материала, обеспечивает электрическую прочность лишь 500 В/0,001 дюйма (196,85 КВ/см) и соответственно не выдержит указанное необходимое напряжение.
Сравнение электрической прочности выбранных материалов
(пленки толщиной < 0,06 мм или 0,002 дюйма)
(пленки толщиной > 1,0 мм или 0,04 дюйма)
(866,14 -1574,8 КВ/см)
(157,48-196,85 КВ/см)
(2913,38 КВ/см)
(157,48-196,85 КВ/см)
(787,4-1771,65 КВ/см)
(629,92 КВ/см)
(551,18 КВ/см)
(118,11-196,85 КВ/см)
(118,11-196,85 КВ/см)
[00209] Вариант выполнения изолирующего корпуса 512, показанный на фиг. 17A и 17B, может обеспечить электрическую прочность примерно 3000 В/0,001 дюйма (1181,1 КВ/см) при температурах в пределах от -30°C (например -22°F) до примерно 450°C (например 840°F). Кроме того, покрывающие слои 530 также могут служить в качестве уплотнения для нижнего слоя 528, которое препятствует проникновению газов сгорания и/или других загрязнителей в корпус 512. Покрывающие слои 530 также могут обеспечивать коэффициент преломления в достаточно широких пределах для повышения эффективности светопередачи через корпус 512 для оптических каналов связи, проходящих в корпусе 512.
Согласно другой особенности показанного варианта реализации корпус 512 содержит каналы 532, проходящие в продольном направлении сквозь корпус 512 между листами или слоями нижних слоев 528. Согласно некоторым вариантам реализации каналы 532 могут быть проводниками, например высоковольтными проводами для искрового зажигания или кабелями. Эти провода для зажигания могут быть выполнены из металлической проволоки, которую изолируют или оксидируют алюминием и таким образом наносят на проволоку оксид алюминия. Каналы 532 проходят продольно сквозь корпус 512 между соответствующими нижними слоями 528 и потому не способствуют прохождению заряда радиально во внешнем направлении сквозь корпус 512. Соответственно, каналы 532 не нарушают или иным способом ухудшают диэлектрические свойства корпуса 512. Дополнительно к доставке напряжения для зажигания согласно некоторым вариантам реализации каналы 532 также могут быть в рабочем положении соединены по меньшей мере с одним исполнительным устройством и/или контроллером для управления редукционным клапаном для впрыска топлива.
Согласно другим вариантам реализации каналы 532 могут быть выполнены с возможностью передачи данных о сгорании топлива от камеры сгорания по меньшей мере к одному преобразователю, усилителю, контроллеру, фильтру, обрабатывающему компьютеру, и т.п. Например, каналы 532 могут быть оптическими волокнами или другими каналами, сформированными из оптических слоев или волокон, таких как кварц, фтористый алюминий, фторид ZBLAN, стекло и/или полимеры, и/или другие материалы, подходящие для передачи данные через форсунку. Согласно другим вариантам реализации каналы 532 могут быть выполненными из подходящих трансмиссионных материалов, таких как цирконий, барий, лантан, алюминий и фторид натрия (ZBLAN), а также могут быть керамическими или стеклянными трубками.
Особенности ориентации диэлектрических доменов
[00212] Согласно другому варианту выполнения форсунки 410, показанному на фиг. 16, диэлектрические материалы корпуса 412 (например, средняя часть 416 и/или сопловая часть 418) могут быть выполнены с заданной ориентацией доменов для достижения желательных диэлектрических свойств, способных к выдерживанию высоких напряжений, которые используются согласно настоящему изобретению. Например, структура домена может содержать кристаллизованные домены, совмещенные по окружности, а также расположенные послойно вокруг трубчатого корпуса 412, которые таким образом формируют сжимающие усилия у наружной поверхности, которые уравновешиваются растяжением приповерхностного слоя. В частности, на фиг. 18A и 18B показаны сечения видов сбоку диэлектрического корпуса 612, выполненного согласно другому варианту реализации изобретения, взятые по существу вдоль линии 18-18, показанной на фиг. 16. Как показано на фиг. 18A, корпус 612 может быть выполнен из керамического материала, имеющего высокую электрическую прочность, такого как кварц, сапфир, стеклянная матрица, и/или другого подходящего керамического материала.
Согласно настоящему варианту реализации корпус 612 содержит прозрачные домены 634, которые ориентированы в целом в одном направлении. Например, домены 634 ориентированы таким образом, что собственная продольная ось каждого отдельного домена 634 выровнена в направлении, проходящем в целом по окружности вокруг корпуса 612. С доменами 634, послойно расположенными в этой ориентации, корпус 612 обеспечивает превосходную электрическую прочность фактически при любой его толщине. Это благодаря тому, что послойно расположенные длинные, плоские домены препятствуют образованию проводящего пути в радиальном направлении к внешней стороне корпуса 612.
На фиг. 18B показаны сжимающие усилия в конкретных областях корпуса 612. В частности, согласно варианту реализации, показанному на фиг. 18B, корпус 612 обработан таким образом, что домены 634 по меньшей мере частично расположены по меньшей мере в одной сжимаемой области 635 (т.е. области, в которой действуют сжимающие усилия согласно ориентации доменов 634) рядом с внешней наружной поверхностью 637 и внутренней наружной поверхностью 638 корпуса 612. Корпус 612 также имеет несжимаемую область 636, образованную доменами 634, расположенными между сжимаемыми областями 635. Несжимаемая область 636 формирует уравновешивающие растягивающие усилия в средней части корпуса 612. Согласно некоторым вариантам реализации каждая из сжимаемых областей 635 может содержать большее количество доменов 634 на единицу объема для достижения сжимающих усилий. Согласно другим вариантам реализации каждая из сжимаемых областей 635 может содержать домены 634, обработанные с возможностью локального сохранения аморфной структуры, или первоначально изготовленные с аморфной структурой или кристаллической решеткой с более низким коэффициентом упаковки по сравнению с доменами 634, расположенными в несжимаемой области 636. Согласно другим дополнительным вариантам реализации внешняя поверхность 637 и внутренняя поверхность 638 могут быть приведены в сжатое состояние ионным легированием, металлизацией поверхностных слоев и/или диффузией в поверхность по меньшей мере одного вещества, так что указанная поверхность имеет более низкий коэффициент упаковки по сравнению с несжимаемой областью 636 корпуса 612. Согласно варианту реализации, показанному на фиг. 18B, сжимаемые области 635 внешней поверхности 637 и внутренней поверхности 638 корпуса 612 имеют более высокую анизотропную электрическую прочность.
Одно преимущество варианта реализации, показанного на фиг. 18B, состоит в том, что в результате вышеуказанной разности коэффициентов упаковки в сжимаемых областях 635 и несжимаемой области 636 поверхность, на которую действует давление, становится сжатой и намного более прочной и стойкой к растрескиванию или разрушению. Например, такое усовершенствование на основе сжимающего усилия по меньшей мере частично предотвращает проникновение веществ (например электролитов, таких как вода с растворенными веществами, богатые углеродом материалы, и т.п.), которые могут формировать проводящие каналы в корпусе 612 и таким образом вызвать ухудшение электрической прочности корпуса 612. Такое усовершенствование на основе сжимающего усилия также по меньшей мере частично предотвращает ухудшение характеристик корпуса 612 из-за тепловых и/или механических ударных нагрузок при контакте с быстро изменяющимися температурой, давлением, химическими деградантами и импульсными силами во время каждого эпизода сгорания. Например, вариант реализации, показанный на фиг. 18B, в частности выполнен с возможностью длительного выдерживания электрического напряжения на корпусе 612, имеет повышенную прочность против растрескивания благодаря большим нагружающим усилиям, включая сосредоточенную нагрузку, а также малоцикловую или многоцикловую усталостную прочность.
Другое преимущество ориентированных кристаллических доменов 634, комбинированных со сжимаемыми областями 635, состоит в том, что указанная конфигурация доменов 634 обеспечивает максимальную электрическую прочность при действии напряжения, установленного на корпусе 612. Например, описанная конфигурация обеспечивает значительное улучшение электрической прочности до 2,4 КВ/0,001 дюйма (944,88 КВ/см) в секциях, толщина которых больше 1 мм или 0,040 дюйма. Эти значения являются более высокими по сравнению с керамическими материалами, имеющими тот же состав, без описанной выше новаторской ориентации доменов, электрическая прочность которых составляет всего лишь примерно от 1,0 КВ/0,001 дюйма до 1,3 КВ/0,001 дюйма (от 393,7 КВ/см до 511,81 КВ/см).
Ниже подробно описаны некоторые процессы для изготовления изоляторов, описанных выше, со сжимающими поверхностными особенностями. Согласно одному варианту реализации, например, изолятор, выполненный согласно варианту реализации изобретения, может быть выполнен из материалов, описанных в патенте США № 3,689,293, который посредством ссылки полностью включен в настоящую заявку. Например, изолятор может быть выполнен из материала, содержащего следующие ингредиенты по весу: SiO2 в количестве 25-60%, R2O3 в количестве 15-35% (где R2O3 представляет собой B2O3 в количестве 3-15% и Al2O3 в количестве 5-25%), MgO в количестве 4-25% + Li2O в количестве 0-7% (с общим количеством MgO + Li2O составляющим примерно 6-25%), R2O в количестве 2-20% (где R2O представляет собой Na2O в количестве 0-15%, K2O в количестве 0-15%, Rb2O в количестве 0-15%), Rb2O в количестве 0-15%, Cs2O в количестве 0-20% и F в количестве 4-20%. В частности, согласно одному варианту реализации иллюстративная рецептура содержит SiO2 в количестве 43,9%, MgO в количестве 13,8%, Al2O3 в количестве 15,7%, K2O в количестве 10,7%, B2O3 в количестве 8,1% и F в количестве 7,9%. Однако согласно другим вариантам реализации изоляторы, выполненные согласно вариантам реализации настоящего изобретения, могут быть выполнены с большими или меньшими процентными количествами перечисленных выше материалов, а также других различных материалов.
Согласно одному варианту реализации изобретения ингредиенты для материала изолятора измельчаются в шаровой мельнице и плавятся в подходящем закрытом плавильном тигле, который выполнен из материалов, невосприимчивых к указанным ингредиентам, формирующим изолятор, и не реагирующих с ними. Ингредиенты выдерживаются при температуре примерно 1400°C (например 2550°F) в течение периода времени, достаточного для их надежного полного смешивания в расплаве. Затем расплавленная масса охлаждается и вновь измельчается в шаровой мельнице вместе с добавками, которые могут быть выбраны из группы, включающей связующие вещества, смазки и подставки для обжига. Затем ингредиенты прессуют выдавливанием в различных заданных формах, включая, например, трубчатую, нагреваются до примерно 800°C (1470°F) и выдерживаются некоторое время при температуре выше температуры преобразования. Нагревом выше температуры преобразования стимулируется образование центров кристаллизации фтористой слюды. Затем выпрессованные выдавливанием ингредиенты могут быть дополнительно нагреты и вторично отформованы под давлением или выпрессованы выдавливанием при температуре примерно от 850°C до 1100°C (1560°F-2010°F). При этом вторичном нагреве кристаллы, которые уже сформированы, окончательно формируются, как в целом описано выше, для максимизации электрической прочности в предпочтительных направлениях результирующего продукта.
Кристаллизация таких материалов, включая, например, стеклослюденит, имеющий состав K2Mg5Si8O20F4, осуществляет экзотермическую теплоотдачу, поскольку объемный коэффициент упаковки доменов увеличивается, и соответственно увеличивается плотность. Параметры преобразования, такие как образование центров кристаллизации, экзотермическая скорость теплоотдачи, характеристики кристаллизации и температура кристаллизации, зависят от содержания в изоляторе фтора и/или содержания B2O3. Соответственно, изготовление изолятора с управлением этих переменных обеспечивает улучшение выходного продукта, его прочность на разрыв, усталостную прочность и/или электрическую прочность, а также увеличивает химическую стойкость изолятора.
Этот процесс обеспечивает важный новый анизотропный продукт, имеющий максимальную электрическую прочность, которая может быть задана и достигнута путем направленного формования, включая прессование выдавливанием трубки-полуфабриката в трубку меньшего диаметра или тонкостенную трубку, для формирования удлиненных и/или ориентированных кристаллических доменов, типичных для репрезентативной выборки, показанной на фиг. 104B, которые сформированы и послойно расположены для более или менее плотного окружения необходимой особенности, такой как внутренний диаметр, сформированный вокруг штыря, который используется в процессе горячего формования или прессования выдавливанием.
Согласно другому варианту реализации способ по меньшей мере частичного ориентирования и/или сжатия доменов 634 согласно описанному варианту реализации может быть осуществлен добавлением B2O3 и/или фтора на поверхности, которые необходимо сделать компрессионно напряженными при противодействии уравновешивающего растягивающего напряжения в подложке сформированных продуктов, прошедших тепловую обработку. Такое добавление B2O3, фтора или подобных активирующих реагентов может быть достигнуто добавлением легирующих присадок, которые добавляются и напыляются в желательные места на полупроводниках. Эти активирующие реагенты также могут быть добавлены в качестве обогащающих смесей в состав компонента, которые могут быть применены путем разбрызгивания, осаждением паровой фазы, окрашиванием и/или промывкой. Кроме того, эти активирующие реагенты могут быть изготовлены с использованием реакций экспозиции реагента и конденсации.
Увеличенное содержание B2O3 и/или фтора в материале и около поверхностей, которые желательно сделать компрессионно нагруженными, вызывает ускоренное образование центров кристаллизации фтористой слюды. Такое образование центров кристаллизации вызывает увеличение количества небольших кристаллов, конкурирующих с добавленным путем диффузии материалом, по сравнению с несжимаемыми областями подложки продукта. Этот процесс соответственно обеспечивает более высокий коэффициент упаковки в несжимаемых областях подложки, чем в близких к поверхности сжимаемых областях, которые обогащены такими реагентами, как B2O3, фтор и/или другие активирующие реагенты, которые способствуют дополнительному образованию центров кристаллизации фтористой слюды. В результате, желательное поверхностное предварительно сформированное компрессионное сжатие повышает стойкость компонента против действия воспламенения и химических реагентов.
Другой способ формирования или повышения сжимающих усилий, уравновешенных растягивающими силами в соответствующих подложках, включает нагрев целевой области, в которой необходимо сформировать сжатие. Целевая область может быть достаточно нагрета до превращения кристаллов в аморфную структуру. Затем подложка может быть быстро охлаждена для достаточного сохранения существенной части аморфной структуры. В зависимости от типа охваченных компонентов, такой нагрев может быть осуществлен в плавильной печи. Такой нагрев также может быть осуществлен излучением резистивного или индукционного источника нагрева, а также электронным лучом или лазером. Другой вариант этого процесса может быть осуществлен увеличением числа небольших кристаллов или доменов при обработке нагреванием и/или добавлением реагентов, образующих центры кристаллизации, и стимуляторов роста (например B2O3 и/или фтора) к частично покрытым раствором областям для быстрой перекристаллизации и тем самым для формирования необходимого компрессионного напряжения.
На фиг. 19A схематично показана система 700a для осуществления процесса, включающего плавление и прессование выдавливанием для формирования изолятора с компрессионными напряжениями в желательных областях согласно другому варианту реализации изобретения. В частности, в показанном варианте реализации система 700a содержит плавильный тигель 740a, который может быть выполнен из огнеупорного металлического, керамического или пиролитического графитного материала. Плавильный тигель 740a может иметь подходящее конверсионное покрытие или непроницаемую и нереактивную футеровку, такую как тонкое защитное покрытие из платины или металла платиновой группы. Плавильный тигель 740a загружается с зарядом смеси 741a, состав которой в целом описан выше (например, зарядом смеси, содержащей SiO2 в количестве примерно 25-60%, R2O3 в количестве 15-35% (где R2O3 представляет собой B2O3 в количестве 3-15% и Al2O3 в количестве 5-25%), MgO в количестве 4-25%+Li2O в количестве 0-7% (где общее количество MgO+Li2O составляет примерно 6-25%), R2O в количестве 2-20% (где R2O представляет собой Na2O в количестве 0-15%, K2O в количестве 0-15%, Rb2O в количестве 0-15%), Rb2O в количестве 0-15% и Cs2O в количестве 0-20% и F в количестве 4-20%), или подходящими веществами для изготовления стеклослюденита, такого материала с приблизительным составом K2Mg5Si8O20F4.
В плавильном тигле может быть нагрет и расплавлен заряд 741a смеси в защитной атмосфере. Например, в плавильном тигле 740a заряд 741a смеси может быть нагрет любым подходящим способом, включая, например, резистивный, электронно-лучевой, лазерный, индуктивный нагрев и/или излучение от источников, которые нагреваются такими способами преобразования энергии. После подходящего смешивания и плавления для изготовления по существу гомогенного заряда 741a кожух или крышка 742a прикладывает давление к заряду 741a в плавильном тигле 740a. Из источника 743a газа в плавильный тигель 740a, закрытый имеющей уплотнение крышкой 742a, также может быть подан инертный и/или технологический газ. Регулятор 744a давления может регулировать давление в плавильном тигле 740a, под действием которого расплавленный заряд 741a перетекает в пресс-форму 745a. Пресс-форма 745a выполнена таким образом, что формирует трубчатый диэлектрический корпус. Пресс-форма 745a содержит розеточную втулку 746a, в которую принят штекерный штырь 747a. Пресс-форма 745a также содержит по меньшей мере одну поддерживающую звездообразную крестовину 748a. Формируемая трубка проходит сквозь пресс-форму 745a в первую область 749a, в которой она охлаждается и отвердевает как аморфный материал и в которой начинается образование центров кристаллизации фтористой слюды. Затем трубка перемещается во вторую область 750a пресс-формы 745a, в которой она подвергается дополнительной обработке путем уменьшения толщины ее стенки для дальнейшего облегчения образования кристаллов фтористой слюды.
На фиг. 19B схематично показана система 700b для осуществления процесса, также включающего плавление и прессование выдавливанием для формирования изолятора с компрессионными напряжениями в желательных областях согласно другому варианту реализации изобретения. В частности, в показанном варианте реализации система 700b содержит плавильный тигель 740b, который может быть выполнен из огнеупорного металлического, керамического или пиролитического графитного материала. Плавильный тигель 740b может иметь подходящее конверсионное покрытие или непроницаемую и нереактивную футеровку, такую как тонкое защитное покрытие из платины или металла платиновой группы. В плавильный тигель 740b загружают заряд 741b смеси, состав которой в целом описан выше (например заряд, содержащий SiO2 в количестве примерно 25-60%, R2O3 в количестве 15-35% (где R2O3 представляет собой B2O3 в количестве 3-15% и Al2O3 в количестве 5-25%), MgO в количестве 4-25%+Li2O в количестве 0-7% (где общее количество MgO+Li2O составляет примерно 6-25%), R2O в количестве 2-20% (где R2O представляет собой Na2O в количестве 0-15%, K2O в количестве 0-15%, Rb2O в количестве 0-15%), Rb2O в количестве 0-15% и Cs2O в количестве 0-20% и F в количестве 4-20%), или подходящие вещества для изготовления стеклослюденита, такого материала с приблизительным составом K2Mg5Si8O20F4.
Система 700b также содержит кожух или крышку 742b, содержащую отражающий узел и нагреватели 744b. Система 700b может нагревать и плавить заряд 741b в защитной атмосфере, такой как вакуум или инертный газ, закачанный между плавильным тиглем 740b и крышкой 742b. Например, система 700b может нагревать заряд 741b посредством нагревателей 745b плавильного тигля, нагревателей 744b крышки, и/или посредством любого подходящего нагревающего процесса, включая, например, резистивный, электронно-лучевой, лазерный, индуктивный нагрев, и/или излучением от источников, которые нагреваются такими способами преобразования энергии. После соответствующего смешивания и плавления для изготовления по существу гомогенного заряда 741b, крышка 742b прикладывает давление к заряду 741b в плавильном тигле 740b. В плавильный тигель 740b, герметично закрытый крышкой 742b у граничной поверхности 747b уплотнения, также может быть подан инертный газ и/или технологический газ из источника 746b газа. Регулятор давления может регулировать давление в плавильном тигле 740b, под действием которого расплавленный заряд 741b перетекает в пресс-форму 749b. Пресс-форма 749b выполнена таким образом, что формирует трубчатый диэлектрический корпус. Пресс-форма 749b содержит розеточную втулку 750b, в которую принят штекерный штырь 751b. Пресс-форма 749b также может содержать по меньшей мере одно упрочняющее звездообразное ребро 752b. Формируемая трубка 701b проходит сквозь пресс-форму 749b в первую область 753b, в которой она охлаждается для затвердевания как аморфный материал и начала образования центров кристаллизации фтористой слюды.
Затем по меньшей мере часть пресс-формы 749b, включая формируемую трубку 701b с образованными центрами кристаллизации фтористого стеклослюденита, вращается или иным способом перемещается в положение 702b, расположенное во второй пресс-форме. Цилиндр 755b перемещает формируемую трубку 701b из первой области 756b во вторую область 757b. Во второй области 757b вторая пресс-форма может повторно нагревать формируемую трубку 701b для ускорения роста кристаллов, а также для дополнительной очистки, во время продолжения изготовления предпочтительно ориентированных доменов, как описано выше. Затем формируемая трубка 701b перемещается в третью область 758b для дополнительной обработки и ориентации доменов. Выбранные контактные поверхности третьей области 758b время от времени присыпают или смазывают добавкой, ускоряющей образование центров кристаллизации доменов, включая, например, AlF3, MgF2 и/или B2O3. В третьей области 758b формируемая трубка 701b дополнительно очищается путем снижения толщины ее стенки для дополнительного облегчения образования кристаллов фтористой слюды и таким образом формирования необходимых компрессионных сил в областях согласно структурам доменов, описанным выше, наряду с уравновешивающими растягивающими силами в областях, описанных выше. В конце процесса сформированная трубка 701b, имеющая исключительно высокую механическую и электрическую прочность благодаря компрессионному напряжению и непроницаемым поверхностям, может быть уложена на конвейер 759b для транспортировки.
В дополнительных системах и способах изготовления изолирующей трубки с указанными усовершенствованными диэлектрическими свойствами могут использоваться градиент давления, как описано в патенте США № 5863326, который посредством ссылки полностью включен в настоящую патентную заявку, для образования заданной формы, процессы порошкового уплотнения и спекания. Кроме того, указанные системы и способы могут включать процесс преобразования монокристаллов, описанный в патент США № 5549746, который посредством ссылки полностью включен в настоящую патентную заявку, а также процесс формования, описанный в патенте США № 3608050, который посредством ссылки полностью включен в настоящую патентную заявку, для преобразования поликристаллического материала по существу в монокристаллический материал, имеющий более высокую электрическую прочность. Согласно вариантам реализации изобретения преобразование поликристаллических материалов (например оксида алюминия), имеющих электрическую прочность только примерно от 0,3 КВ/0,001 дюйма до 0,4 КВ/0,001 дюйма (от 118,11 КВ/см до 157,48 КВ/см), в монокристаллические материалы может обеспечивать достижение электрической прочности по меньшей мере примерно от 1,2 КВ/0,001 дюйма до 1,4 КВ/0,001 дюйма (от 472,44 КВ/см до 551,18 КВ/см). Эта усовершенствованная электрическая прочность обеспечивает возможность использования форсунок согласно настоящему изобретению в различных случаях применения, включая, например, использование в дизельных двигателях с высокими степенями сжатия и очень малыми отверстиями в камере сгорания, а также с форсированными и оборудованными турбонаддувом двигателями.
Согласно еще одному варианту реализации изобретения для формирования изоляторов с высокой электрической прочностью может быть использован любой из составов, представленных в Таблице 2. В частности, в Таблице 2 показаны примеры формул приблизительных составов на окисной основе с количествами, указанными в процентах от веса, согласно некоторым вариантам реализации изобретения.
Примеры диэлектрических составов
16% Al2O3
15% MgO
9% K2O
8% B2O3
8% F
21% MgO
16% Al2O3
9% B2O3
9% F
4% K2O
Выбранные предшествующие вещества, которые включены согласно процентному составу в конечную оксидную композицию, такие как материалы, показанные в Таблице 2, могут быть размолоты в шаровой мельнице и расплавлены в закрытом плавильном тигле при температуре примерно от 1300°C до 1400°C с выдержкой в течение примерно 4 часов для обеспечения гомогенности раствора. Затем расплав может быть отлит для формования трубок, которые затем отжигаются при температуре примерно от 500°C до 600°C. Затем трубки могут быть подвергнуты дополнительной термической обработке при температуре примерно 750°C в течение примерно 4 часов, и затем их посыпают стимулятором образования центров кристаллизации, таким как B2O3. Затем трубки могут быть преобразованы при температуре примерно от 1100°C до 1250°C для стимуляции образования центров кристаллизации и формирования необходимой кристаллической ориентации. Эти трубки также могут быть дополнительно термически обработаны в течение примерно 4 часов для придания им электрической прочности по меньшей мере примерно от 2,0 КВ/0,001 дюйма до 2,7 КВ/0,001 дюйма (от 787,4 КВ/см до 1062,99 КВ/см).
Согласно другим дополнительным вариантам реализации гомогенный раствор может быть размолот в шаровой мельнице и дополнен подходящим связующим веществом и смазочными добавками для прессования выдавливанием при температуре окружающей среды для изготовления трубок с хорошими поверхностями. Затем результирующая трубка может быть покрыта пленкой, которая содержит стимулятор образования центров кристаллизации, такой как B2O3, и термически обработана для обеспечения электрической прочности по меньшей мере примерно от 1,9 КВ/0,001 дюйма до 2,5 КВ/0,001 дюйма (от 748,03 КВ/см до 984,25 КВ/см) и повышения физической прочности. В зависимости от способности сохранять подходящие размеры трубки, включая, например, "правильность круглой формы" выпрессованной выдавливанием трубки или профиля трубки, для обеспечения подобных высоких характеристик диэлектрической и физической прочности может быть осуществлена термообработка при более высоких температурах в течение более коротких периодов времени.
Описанные выше варианты реализации систем и способов для изготовления диэлектрических материалов облегчают достижение высокой электрической прочности материалов в различных сочетаниях и таким образом решают достаточно сложные задачи, связанные с выдерживанием высоковольтного напряжения, необходимого для сгорания топлива с низкой удельной энергоемкостью. Например, форсунки, выполненные на основе материалов с высокой электрической прочностью, могут быть чрезвычайно прочными и способными к работе с различными видами топлива от низкотемпературных смесей твердых частиц, жидкостей и паров до перегретого дизельного топлива, а также другими видами топлива.
Топливные форсунки и относящиеся к ним компоненты
Любой из описанных здесь форсунок может быть выполнен из любого из диэлектрических материалов, описанных выше. Например, на фиг. 20 показан разрез вида сбоку форсунки 810, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения, который содержит диэлектрический изолятор, имеющий описанные выше свойства. Показанная на чертеже форсунка 810 содержит некоторые особенности, которые в целом подобны по структуре и функциям соответствующим особенностям форсунки 110, описанной выше и показанной на фиг. 1. Например, как показано на фиг. 20, форсунка 810 содержит корпус 812, имеющий среднюю часть 816, проходящую между основной частью 814 и сопловой частью 818. Сопловая часть 818 по меньшей мере частично проходит сквозь головку двигателя 807, причем конец сопловой части 818 расположен в граничной поверхности камеры 804 сгорания. Корпус 812 дополнительно имеет канал 863, проходящий сквозь его часть и обеспечивающий возможность протекания топлива сквозь форсунку 810. В канале 863 также могут проходить другие компоненты. Например, форсунка 810 дополнительно содержит исполнительное устройство 822, которое в рабочем положении соединено с контроллером или процессором 826. Исполнительное устройство 822 также соединено с клапанным или зажимным элементом 860. Исполнительное устройство 822 проходит в канале 863 привода 824, расположенного в основной части 814, к редукционному клапану 820, расположенному в сопловой части 818. Согласно некоторым вариантам реализации исполнительное устройство 822 может быть кабельным или стержневым узлом, содержащим, например, оптические волокна, электрические сигнальные провода и/или акустические волокна для связи, наряду с беспроводными преобразующими узлами. Как подробно описано ниже, исполнительное устройство 822 выполнено с возможностью приведения в действие редукционного клапана 820 для быстрого ввода порций многотопливной смеси в камеру 804 сгорания. Исполнительное устройство 822 также может обнаруживать и/или передавать данные о характеристиках сгорания в контроллер 826.
Согласно одной особенности показанного варианта реализации исполнительное устройство 822 удерживает редукционный клапан 820 в закрытом положении на соответствующем седле 872 клапана. В частности, основная часть 814 содержит по меньшей мере один генератор 861 усилия (показан схематично). Генератор 861 усилия может быть электромагнитным, пьезоэлектрическим или другим генератором усилия подходящего типа. Генератор 861 усилия выполнен с возможностью выработки усилия, которое перемещает привод 824. Привод 824 соединен с зажимным элементом 860 с возможностью перемещения указанного зажимного элемента 860 вместе с исполнительным устройством 822. Например, генератор 861 усилия может вырабатывать усилие, которое действует на привод 824, который в свою очередь оттягивает зажимной элемент 860 и создает напряжение растяжения, действующее на исполнительное устройство 822. Исполнительное устройство 822 под действием указанного напряжения сохраняет редукционный клапан 820 в седле 872 в закрытом положении. Если генератор 861 не вырабатывает усилие, которое действует на привод 824, исполнительное устройство 822 освобождается и таким образом обеспечивает возможность ввода топлива посредством редукционного клапана 820 в камеру 804 сгорания.
Согласно еще одной особенности показанного варианта реализации сопловая часть 818 может содержать некоторые притягивающие компоненты, которые облегчают активацию и позиционирование редукционного клапана 820. Например, согласно одному варианту реализации редукционный клапан 820 может быть выполнен из первого ферромагнитного материала или иным способом содержать встроенный первый ферромагнитный материал (например путем металлизации части редукционного клапана 820). Сопловая часть 818 может содержать соответствующий второй ферромагнитный материал, который притягивается к первому ферромагнитному материалу. Например, седло 872 клапана может содержать второй ферромагнитный материал. Этим способом указанные притягивающиеся компоненты могут способствовать центрированию редукционного клапана 820 в седле 872, а также облегчать быструю активацию редукционного клапана 820. Согласно другим вариантам реализации исполнительное устройство 822 может проходить по меньшей мере сквозь один осевой подшипник (не показан) по меньшей мере для частичного центрирования редукционного клапана 820 в седле 872.
Подача энергии для приведения в действие указанных притягивающихся компонентов форсунки 810 (например, магнитных компонентов, относящихся к редукционному клапану 820), может ускорить закрытие редукционного клапана 820, а также обеспечить увеличенное закрывающее усилие, действующее на редукционный клапан 820. Соответственно, такая конфигурация может обеспечивать чрезвычайно быстрые временные циклы открывания и закрывания редукционного клапана 820. Другое преимущество обеспечения электрической проводимости для части редукционного клапана 820 состоит в том, что приложенное напряжения для исходного формирования искры или плазмы может ионизировать топливо, проходящее около поверхности седла 872 клапана. Это напряжение также может ионизировать топливо и воздух, расположенные рядом с камерой 804 сгорания для дополнительного ускорения полного воспламенения и сгорания.
В показанном на чертеже варианте реализации основная часть 814 также содержит теплопередающие средства 865, такие как теплопередающие ребра (например, спиральные ребра). Основная часть 814 также содержит первый штуцер 862a для ввода охладителя, который может протекать вокруг теплопередающих средств 865, а также второй штуцер 862b, обеспечивающий возможность вывода охладителя из основной части 814. Такое охлаждение форсунки может по меньшей мере частично препятствовать конденсации влаги и/или формированию льда использовании холодного топлива, например топлива, которое быстро охлаждается при расширении. Однако при использовании горячего топлива такой теплообмен может быть использован для локального снижения или поддержания давления паровой фазы топлива, содержавшегося в проходе, ведущем к камере сгорания, и предотвращения подтекания в нежелательные моменты времени.
Согласно другой особенности показанного на чертеже варианта реализации редукционный клапан 820 может нести на себе измерительное средство 876 для отслеживания событий в камере 804 сгорания. Например, редукционный клапан 820 может быть шаровым клапаном, выполненным в целом и прозрачного материала, такого как кварц или сапфир. Согласно некоторым вариантам реализации шаровой клапан 820 может нести на себе измерительное средство 876 (например датчики, преобразователи, и т.п.), расположенные в шаровом клапане 820. Согласно одному варианту реализации, например, в шаровом клапане 820 может быть сформирована полость путем разрезания указанного клапана в плоскости, в целом параллельной поверхности головки 807 двигателя. Таким образом шаровой клапан 820 может быть разделен на основную часть 877, а также на линзовую часть 878. В основной части 877 может быть образована полость, например коническая полость, для приема измерительного средства 876. Затем линзовая часть 878 может быть вновь прикреплена (например, приклеена) к основной части 877 для сохранения в целом сферической формы шарового клапана 820. Таким образом, измерительное средство 876, размещенное в шаровом клапане 820, может быть расположено рядом с граничной поверхностью камеры 804 сгорания. Соответственно, измерительное средство 876 может измерять и передавать данные о сгорании, включая, например, давление, температуру, перемещение и данные. Согласно другим вариантам реализации редукционный клапан 820 может содержать обработанную поверхность, которая защищает измерительное средство 876. Например, поверхность редукционного клапана 820 может быть защищена путем осаждения относительно инертного вещества, например плакирования такими веществами, как алмаз, сапфир, оптически прозрачные шестиугольники нитрида бора, состав BN-AlN (бор-нитрид-алюминий-нитрид), оксинитрид алюминия (AlON, включая шпинель Al23O27N5), шпинель алюмината магния, и/или другими подходящими защитными материалами.
Как показано на фиг. 20, корпус 812 имеет проводящую металлизацию 874, проходящую от средней части 816 к сопловой части 818. Проводящая металлизация 874 соединена с электрическим проводником или кабелем 864. Кабель 864 также может быть соединен с генератором энергии, таким как подходящая пьезоэлектрическая, индуктивная, емкостная или высоковольтная схема, для питания энергией форсунки 810. Проводящая металлизация 874 выполнена с возможностью доставки энергии к сопловой части 818. Например, проводящая металлизация 874 в седле клапана 872 может действовать в качестве первого электрода, который вызывает эффект воспламенения (например, искру или плазму) с соответствующими проводящими частями головки 807 двигателя.
Согласно другой особенности показанного на чертеже варианта реализации сопловая часть 818 может содержать наружную втулку 868, выполненную из материала, который является стойким к искровой эрозии. Втулка 868 также может быть выполнена из материала, который является стойким к искровому осаждению веществ, передающихся во время дуги к проводящей металлизации 874 (например, электроду сопловой части 818) или от нее. Кроме того, сопловая часть 818 может дополнительно содержать армированный тепловой барьер или защитную часть 866, выполненную с возможностью по меньшей мере частичной защиты форсунки 810 от термических и других разрушающих факторов, действующих в камере сгорания. Защитная часть 866 также может содержать по меньшей мере один преобразователь или датчик для измерения или отслеживания параметров сгорания, таких как температура, тепловая и механическая ударная нагрузки и/или результирующее давление в камере 804 сгорания.
На фиг. 20 также показано, что средняя часть 816 и сопловая часть 818 содержат диэлектрический изолятор, который может быть выполнен согласно вариантам реализации, описанным выше. В частности, в показанном на чертеже варианте реализации средняя часть 816 содержит первый изолятор 817a, которым по меньшей мере частично окружен второй изолятор 817b. Второй изолятор 817b проходит от средней части 816 к сопловой части 818. Соответственно, по меньшей мере один сегмент второго изолятора 817b расположен рядом с камерой 804 сгорания. Согласно одному варианту реализации второй изолятор 817b может иметь более высокую электрическую прочность по сравнению с первым изолятором 817a. Таким образом, второй изолятор 817b может выдерживать жесткие условия сгорания, существующие рядом с камерой 804 сгорания. Однако согласно другим вариантам реализации форсунка 810 может содержать изолятор, выполненный из однокомпонентного материала.
Согласно еще одной особенности показанного на чертеже варианта реализации по меньшей мере часть второго изолятора 817b в сопловой части 818 может быть расположена на расстоянии от камеры 804 сгорания. Это формирует промежуток или объем воздушного пространства 870 между головкой 807 двигателя (например вторым электродом) и проводящей металлизацией 874 (например первым электродом) сопловой части 818. Форсунка 810 может формировать плазму из ионизированного воздуха в пространстве 870 перед впрыском топлива. Это плазменное распространение ионизированного воздуха может ускорить сгорание топлива, которое входит в плазму. Кроме того, такое распространение плазмы может влиять на форму быстро сгорающего топлива согласно заданным характеристикам камеры сгорания. Схожим образом форсунка 810 также может ионизировать компоненты топлива для изготовления высоковольтной плазмы, которая также может влиять на форму шаблона распределения сгорающего топлива или изменять ее.
Форсунка 810 может дополнительно адаптировать характеристики сгорания и распределение впрыснутого топлива путем создания сверхкавитационной или быстрой газификации впрыснутого топлива. В частности, и как подробно описано ниже в отношении дополнительных вариантов реализации изобретения редукционный клапан 820 и/или седло 872 клапана могут быть сформированы с обеспечением возможности осуществления быстрой газификации топлива, протекающего мимо указанных компонентов. Например, редукционный клапан 820 может иметь по меньшей мере один выступ с острым краем в части редукционного клапана, который входит в контакт с седлом 872 клапана. Кроме того, частота открывания и закрывания редукционного клапана 820 также может вызывать быструю газификацию впрыснутого топлива. В результате указанной быстрой газификации из быстро поступающего жидкого топлива или смеси жидких и твердых компонентов топлива формируется газ или пар. Например, эта быстрая газификация может способствовать образованию пара при протекании жидкого топлива вокруг поверхности редукционного клапана 820 перед входом в камеру сгорания. Быстрая газификация топлива обеспечивает намного более быстрое и полное сгорание впрыснутого топлива по сравнению с негазифицированным топливом. Кроме того, быстрая газификация впрыснутого топлива может способствовать формированию различных шаблонов или форм впрыска топлива, включая, например, вытянутые эллипсоиды, которые значительно отличаются от обычных традиционных конических шаблонов впрыска топлива. Согласно другим дополнительным вариантам реализации быстрая газификация впрыснутого топлива может быть использована с различными другими усовершенствованными способами воспламенения и сгорания топлива. Например, быстрая газификация может сочетаться с повышенным нагревом жидкого топлива, плазменным и/или акустическим импульсом распространяющихся порций топлива. Для воспламенения этих усовершенствованных порций топлива требуется намного меньшее количество катализатора и также меньшее каталитическое пространство по сравнению с каталитическим воспламенением жидких компонентов топлива.
На фиг. 21 показан разрез вида сбоку форсунки 910, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения. Форсунка 910 содержит некоторые особенности, в целом подобные по структуре и функциям форсунок, описанных выше. Например, форсунка 910 содержит по меньшей мере один высоковольтный диэлектрический изолятор 917 (идентифицированный индивидуально как первый изолятор 917a и второй изолятор 917b), имеющий свойства, описанные выше. Второй изолятор 917b по меньшей мере частично окружает сопловую часть 918, расположенную рядом с камерой 904 сгорания. Соответственно, второй изолятор 917b может иметь более высокую электрическую прочность по сравнению с первым изолятором 917a. Второй изолятор 917b также может иметь более высокую механическую прочность (например, благодаря компрессионно напряженной внешней поверхности) и выдерживать жесткие эксплуатационные режимы, действующие в сопловой части 918.
Форсунка 910 также содержит корпус 912, имеющий среднюю часть 916, проходящую между основной частью 914 и сопловой частью 918. Сопловая часть 918 по меньшей мере частично проходит сквозь головку 907 двигателя таким образом, что ее конец расположен в граничной поверхности камеры сгорания 904. Корпус 912 дополнительно имеет канал 963, проходящий сквозь его часть и обеспечивающий возможность протекания топлива сквозь форсунку 910. В канале 963 также могут проходить другие компоненты. Например, форсунка 910 дополнительно содержит исполнительное устройство 922, которое в рабочем положении соединено с контроллером или процессором 926. Исполнительное устройство 922 в рабочем положении также соединено с приводом 924, расположенным в основной части 914. Дополнительные подробности относительно подходящего привода описаны ниже и показаны на фиг. 23. Согласно варианту реализации, показанному на фиг. 21, исполнительное устройство 922 проходит в канале 963 от привода 924 к редукционному клапану 920, расположенному в сопловой части 918. Согласно некоторым вариантам реализации исполнительное устройство 922 может быть кабельным или стержневым узлом, включая, например, оптические волокна, электрические сигнальные провода и/или акустические сигнальные волокна, а также узлами беспроводных преобразователей. Исполнительное устройство 922 выполнено с возможностью приведения в действие редукционного клапана 920 для быстрого ввода порций многотопливной смеси, впрыснутой в камеру 904 сгорания. Исполнительное устройство 922 также может обнаруживать и/или передавать параметры сгорания контроллеру 926. Если редукционный клапан 920 находится в закрытом положении, он сближен с седлом 972 клапана.
Основная часть 914 имеет входное отверстие 902 для ввода топлива в форсунку 910. Согласно некоторым вариантам реализации входное отверстие 902 может иметь средства для обнаружения протечки, выполненные с возможностью обнаружения просачивания топливо при его вводе в форсунку 910. Например, входное отверстие 902 или другие части форсунки 910 могут содержать индикаторы, отслеживающие подачу топлива, как описано в находящихся в совместном рассмотрении патентных заявках США №№ 10/236820 и 09/716664, каждая из которых посредством ссылки полностью включена в настоящую патентную заявку.
Основная часть 914 также содержит магнитный полюсной компонент 903 магнитной обмотки 961, навитой вокруг концентрической катушки 932. Катушка 932 имеет внутреннюю поверхность 933, которая может служить линейным подшипником для однонаправленных перемещений привода 924. Полюсной компонент 903 может иметь уплотнение между ним и катушкой 932 для предотвращения утечки топлива между ними. Например, полюсной компонент 903 может содержать по меньшей мере одну канавку и соответствующее кольцевое уплотнение 930. Кроме того, катушка 932 может иметь уплотнение между ней и изолятором 917 также для предотвращения утечки топлива между ними. Например, изолятор 917 может содержать по меньшей мере одну канавку и соответствующее кольцевое уплотнение 938.
Форсунка 910 дополнительно имеет отверстие 964 для подачи электроэнергии (например, высоковольтного напряжения для синхронизированного формирования искры, плазмы, плазмы переменного тока, резистивного нагрева, и т.п.) в корпусе 924, выполненном из металлического сплава, и изоляторе 917 для соединения с проводящими металлизацией или втулкой 974. Проводящая втулка 974 передает электроэнергию к сопловой части 918 для осуществления воспламенения в камере 904 сгорания. В частности, проводящая втулка 974 передает электроэнергию к первому электроду или закрывающей части 921, расположенной на сопловой части 918. Закрывающая часть 921 может представлять собой устройство для регулирования воспламенения и потока топлива, по меньшей мере частично закрывающее редукционный клапан 920. Часть головки 907 двигателя может действовать в качестве второго электрода для соответствующей закрывающей части 921 для осуществления воспламенения.
Согласно другим вариантам реализации энергия для зажигания может быть обеспечена посредством питания пьезоэлектрического или магнитострикционного привода 934, расположенного на технологически нижней части привода 924. Кроме того, в случаях применения с ограниченным пространством для доступа в камеру 904 сгорания, высокое напряжение может быть доставлено посредством проводящей металлизации 974 и/или закрывающей части 921 сопловой части 918 с использованием проводника, проходящего в изоляторе 917 (например, спирально навитом послойно расположенном изоляторе, как описано выше). Согласно настоящему варианту реализации проводник может проходить от изолятора 917 сквозь основную часть 914 для соединения с источником напряжения. В частности, проводник может выходить из основной части 914 сквозь первое отверстие 906 и второе отверстие 908 в полюсном компоненте 903. Подходящие системы для подачи и/или согласования электроэнергии (например, для генерации искры или плазмы) для работы соленоидных сборок согласно настоящего изобретения описаны в патенте США №№ 4122816 и 7349193, каждый из которых посредством ссылки полностью включен в настоящую патентную заявку.
Согласно другому варианту реализации изобретения сопловая часть 918 форсунки 910 содержит тепловой барьер или защитную часть 966, которая выполнена с возможностью ограничения передачи тепла от камеры 904 сгорания. Кроме того, основная часть 914 может содержать теплопередающие средства 965 (например теплопередающие ребра). В форсунке 910 может быть размещена теплопередающая текучая среда, которая протекает вокруг теплопередающих средств 965. Теплопередающая текучая среда может поддерживаться при относительно постоянной температуре, такой как подходящая температура термостата, составляющая примерно от 70°C до 120°C (от 160°F до 250°F). Как таковая, теплопередающая текучая среда, протекающая вокруг теплопередающих средств 965, может поддерживать рабочую температуру форсунки 910 для препятствования формированию инея или льда из атмосферной влаги при протекании холодного топлива (например низкотемпературных видов топлива) в форсунке 910.
Форсунка 910 выполнена с возможностью впрыскивания топлива в камеру 904 сгорания в ответ на подходящий пневматический, гидравлический, пьезоэлектрический и/или электромеханический входной сигнал. Например, при использовании электромеханического или электромагнитного управления, электрический ток, приложенный к магнитной обмотке 961, создает магнитный полюс в мягком магнитном материале, обращенном к приводу 924. Это магнитное усилие вызывает перемещение привода 924 и таким образом создает растягивающее напряжение в исполнительном устройстве 922 для удерживания редукционного клапана 920 в закрытом положении на седле 972. При реверсировании или выключении электрического тока привод 924 не создает растягивающее напряжение в исполнительном устройстве 922, и таким образом обеспечивается возможность протекания топлива мимо редукционного клапана 920.
Согласно некоторым вариантам реализации форсунка 910 выполнена с возможностью устранения нежелательного перемещения и/или остаточного движения исполнительного устройства 922 при быстром впрыскивании порций топлива. Форсунка 910 также может быть выполнена с возможностью надежного выравнивания средней линии исполнительного устройства 922, которое может содержать измерительное средство, такое как оптоволоконное измерительное средство. Например, форсунка может содержать по меньшей мере один компонент или узел, расположенные в канале 963 корпуса 912, для выравнивания исполнительного устройства 922. В частности, на фиг. 22A показан вид сбоку открытого узла 1080 связки трубок, выполненного согласно варианту реализации изобретения, для выравнивания исполнительного устройства. На фиг. 22B показан разрез вида спереди узла 1080 связки по существу вдоль линии 22B-22B, показанной на фиг. 22A. Как показано на фиг. 22A и 22B, согласно настоящему варианту реализации узел 1080 связки содержит плетеные волокна 1082, окружающие исполнительное устройство 922. Волокна 1082 могут содержать оптические волокна, электрические провода, измерительные преобразователи и/или армирующие волокна. Эти волокна 1082 могут быть сплетены или свернуты в спираль вокруг исполнительного устройства 922, так что узел 1080 связки выравнивает исполнительное устройство 922 в форсунке. Материалы, подходящие для внешних волокон 1082, могут включать графит, покрытый алмазом графит, стекловолокно, керамические нити или волокна, полиэфирэфиркетон и различные подходящие фторполимеры. Эти материалы могут быть выполнены с возможностью обеспечения желательного осевого момента сопротивления и низкого коэффициента трения для обеспечения возможности перемещения исполнительного устройства 922 в осевом направлении в узле 1080. Например, согласно некоторым вариантам реализации внутренний диаметр узла 1080 связки трубок может быть подвержен сверхтонкой обработке и/или покрыт антифрикционными покрытиями, включая, например, сульфид молибдена, алмазоподобный углерод, нитрид бора или различные подходящие полимеры. Эти виды обработки поверхности могут быть использованы в различных сочетаниях для снижения трения, защиты от коррозии, теплопередачи и других износостойких целей. В дополнение к совмещению исполнительного устройства 922, узел 1080 также предотвращает резонансные колебания, вибрацию или осевое отпружинивание исполнительного устройства во время работы.
На фиг. 22C показан вид сбоку узла 1081 связки, выполненного согласно другому варианту реализации изобретения, для выравнивания исполнительного устройства 922 и предотвращения нежелательных резонансных колебаний, вибрации или осевого отпружинивания. На фиг. 22D показан разрез вида спереди, взятый по существу вдоль линий 22D-22D, показанных на фиг. 22C. Как показано на фиг. 22C и 22D, узел 1081 содержит несколько цилиндрических пружин или смещающих элементов 1083, расположенных последовательно вокруг исполнительного устройства 922. Соответственно, при использовании колебания отдельных пружин 1083 подавляют друг друга, и таким образом стабилизируется исполнительное устройство 922.
На фиг. 22E показан разрез частичного вида сбоку форсунки 1010, выполненной согласно другому варианту реализации изобретения, который содержит направляющий элемент 1090 для выравнивания исполнительного устройства 1022. В частности, показанная на чертеже форсунка 1010 может иметь особенности, в целом подобные по структуре и функциям другим форсункам, описанным выше. Например, форсунка 1010, показанная на фиг. 22E, содержит исполнительное устройство 1022, которое проходит сквозь корпус 1012 между приводом 1024 и редукционным клапаном 1020. Однако в показанном на чертеже варианте реализации направляющий элемент 1090 по меньшей мере частично окружает исполнительное устройство 1022 технологически ниже привода 1024. Направляющий элемент 1090 поддерживает исполнительное устройство 1022 и предотвращает нежелательные резонансные колебания, вибрацию или осевое отпружинивание исполнительного устройства 1022. В показанном на чертеже варианте реализации направляющий элемент 1090 имеет первую часть 1091, расположенную рядом с приводом 1024, и вторую часть 1092, расположенную рядом с редукционным клапаном 1020. Первая часть 1091 имеет первый внутренний диаметр, окружающий исполнительное устройство 1022, и вторая часть 1092 имеет второй внутренний диаметр, окружающий исполнительное устройство 1022. Как показано на фиг. 22E, второй внутренний диаметр меньше первого внутреннего диаметра, благодаря чему обеспечена более точная поддержка исполнительного устройства 1029, расположенного рядом с редукционным клапаном 1020 в сопловой части форсунки. Кроме того, согласно некоторым вариантам реализации направляющий элемент 1090 может содержать встроенные пьезоэлектрические, акустические и/или магнитоэлектрические устройства, которые могут использоваться для выработки импульса для порций топлива. Направляющий элемент 1090 также может содержать встроенные измерительное средство, преобразователи и/или датчики для обнаружения и передачи данных о состоянии камеры сгорания.
На фиг. 23 показан разрез вида сбоку привода 1124, выполненный в соответствии с другим вариантом реализации изобретения. Привод 1124 содержит особенности, которые в целом подобны по структуре и функциям описанным выше приводам. Согласно показанному на чертеже варианту реализации привод выполнен с возможностью соединения с исполнительным устройством, а также обеспечения возможности протекания топлива сквозь него. В частности, привод 1124 содержит корпус 1138, имеющий первую концевую часть 1140 и противоположную ей вторую концевую часть 1142. Корпус 1138 также имеет канал 1144, проходящий сквозь него. Канал 1144 разветвляется на несколько каналов или проходов меньшего размера, расположенных во второй концевой части 1142 корпуса 1138. Например, вторая концевая часть 1142 имеет каналы 1146 для топлива (идентифицированные индивидуально как первый канал 1146a для топлива и второй канал 1146b для топлива), обеспечивающие возможность протекания в них топлива и вытекания из привода 1124. Вторая концевая часть 1142 также имеет канал 1148 для исполнительного устройства, выполненный с возможностью приема исполнительного устройства.
Согласно некоторым вариантам реализации привод 1124 может быть выполнен с возможностью обеспечения усилия, необходимого для впрыскивания топлива из форсунки. Например, привод 1124 может обеспечивать акустическое усилие для изменения или улучшения вспышек впрыснутого топлива. Согласно одному варианту реализации привод 1124 может быть выполнен из составного ферромагнитного материала. Согласно другим вариантам реализации привод 1124 может содержать слоистый материал для магнитострикционного датчика или пьезоэлектрический материал для выработки акустического импульса. Подходящие способы обеспечения таких функций в приводе 1124 включают послойное наложение желательных материалов, как описано, например, в патенте США № 5980251, который посредством ссылки полностью включен в настоящую патентную заявку. Кроме того, подходящие пьезоэлектрические способы выработки такого желательного акустического импульса описаны в следующих образовательных материалах, изданных компанией Valpey Fisher Corporation: "Учебный семинар на тему кварцевого кристаллического генератора", проведенный Джимом Соки (Jim Socki) из компании Crystal Engineering, ноябрь 2000.
Как показано на фиг. 21, форсунка 910 содержит устройство для регулирования воспламенения и потока или крышку 921, расположенную на сопловой части 918, которая по меньшей мере частично закрывает редукционный клапан 920. Крышка 921 содержит по меньшей мере один проводящий компонент, так что крышка 921 может быть первым электродом, который вырабатывает искру для воспламенения вместе с соответствующим ему вторым электродом, т.е. головкой двигателя. Крышка 921 может быть выполнена с возможностью защиты компонентов форсунки 910, предназначенных для отслеживания и/или обнаружения характеристик сгорания. Крышка 921 также может быть выполнена с возможностью воздействия на форму, шаблон и/или фазу впрыснутого топлива. Например, крышка 921 может быть выполнена с возможностью индуцирования быстрой газификации впрыснутого топлива, как описано выше.
Далее описаны дополнительные подробности крышки 921 и показаны на фиг. 24A. В частности, на фиг. 24A показан вид спереди первой крышки 1221a, выполненной согласно варианту реализации изобретения. В показанном на чертеже варианте реализации первая крышка 1221a имеет несколько прорезей и отверстий, сквозь которые топливо проникает в камеру сгорания. Первая крышка 1221a также действует в качестве запальной свечи для искрового, плазменного, каталитического или калильного зажигания топлива в камере сгорания. Отверстия и прорези в первой крышке 1221a обеспечивают частичный доступ к камере сгорания для отслеживания характеристик сгорания. В частности, первая крышка 1221a имеет несколько радиально проходящих первых прорезей 1223 и вторых прорезей 1227. Как показано на фиг. 24A, первые прорези 1223 имеют укороченную длину и увеличенную ширину по сравнению с вторыми прорезями 1227. Первая крышка 1221a также имеет несколько первых отверстий 1225, расположенных на расстоянии друг от друга по окружности вокруг крышки между прорезями, и несколько вторых отверстий 1229, расположенных в центральной части крышки. Прорези и/или отверстия в первой крышке 1221a, а также в других описанных здесь крышках, могут быть ориентированы под прямыми или непрямыми углами относительно поверхности камеры сгорания для достижения желательных скоростей расхода и сгорания топлива.
Несмотря на то, что первая крышка 1221a, показанная на фиг. 24A, представляет собой один демонстрационный шаблон или набор прорезей и отверстий, согласно другим вариантам реализации могут быть использованы различные шаблоны, выполненные с возможностью достижения желательных характеристик впрыска и воспламенения. Например, на фиг. 24B и 24C показаны виды сбоку второго устройства для регулирования воспламенения и потока или крышки 1221b, выполненной согласно другому варианту реализации изобретения и имеющей острые края. Как показано на фиг. 24B и 24C, вторая крышка 1221b имеет несколько прорезей 1223, проходящих радиально во внешнем направлении от центральной части второй крышки 1221b. Прорези 1223 сформированы между электродными частями 1231, проходящими от базовой поверхности 1224. Электродные части 1231 выполнены с возможностью возбуждать воспламенение даже с соответствующей электродной частью головки двигателя. Вторая крышка 1221b также имеет отверстие 1229, расположенное в ее центральной части. Соответственно, характеристики сгорания могут быть отслежены сквозь отверстие 1229, а также сквозь промежутки 1233 между электродными частями 1231 и базовой поверхностью 1224.
В некоторых случаях для надежного воспламенения может быть желательным сочетание искрового, плазменного, калильного и/или каталитического зажиганий. Например, в случае каталитического зажигания электродные части 1231 и/или зажигающие точки 1232 могут содержать катализатор, такой как металл платиновой группы или губчатая платина. В случае калильного зажигания электродные части 1231 и/или зажигающие точки 1232 могут содержать игольчатые структуры, сформированные в результате осаждения при искровой или плазменной эрозии и переносе. Такие осаждения могут перемещаться между электродными частями 1231 при случайном реверсировании полярности напряжения и/или при использовании переменного тока для улучшения плазмы, которая формируется рядом с зажигающими точками 1232.
Одно преимущество показанного на чертеже варианта реализации состоит в том, что вторая крышка 1221b может обеспечивать защиту для датчиков или преобразователей, которые используются для отслеживания характеристик сгорания. Другое преимущество состоит в том, что прорези 1223, проходящие между электродными частями 1231, образуют множественные точки 1232 возбуждения искры или действуют в качестве горячих поверхностей для инициирования воспламенения. Поскольку вторая крышка 1221b имеет многочисленные зажигающие точки 1232, она в частности подходит для расширенного использования. Например, даже если одна из зажигающих точек 1232 загрязнена или иным способом вышла из строя или потеряла свои функции, у второй крышки 1221b все еще остаются другие зажигающие точки 1232 для выработки зажигания.
На фиг. 24D показан перспективный вид, на фиг. 24E показан вид спереди, и на фиг. 24F показан разрез вида сбоку по существу вдоль линии 24F-24F, показанной на фиг. 24E, третьей крышки 1221c, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения. В показанном на чертеже варианте реализации третья крышка 1221c имеет первую поверхность 1226, расположенную на расстоянии от основной части 1224. Отверстие 1229 проходит сквозь центральную часть первой поверхности 1226, и несколько прорезей 1223 проходят сквозь третью крышку 1221c между первой поверхностью 1226 и основной частью 1224. Подобно вариантам реализации, описанным выше, отверстие 1229 и прорези 1223 обеспечивают возможность отслеживать характеристики сгорания с использованием измерительного средства, расположенного в форсунке. В показанном на чертеже варианте реализации прорези 1223 проходят сквозь третью крышку 1221c под углом примерно 45° по отношению к первой поверхности 1226. Однако согласно другим вариантам реализации прорези 1223 в третьей крышке 1221c могут быть выполнены с большим или меньшим углом. Третья крышка 1221c дополнительно имеет канал 1237, проходящий сквозь основную часть 1224, по которому топливо протекает сквозь третью крышку 1221c.
Как показано на фиг. 21, в некоторых случаях применения может быть желательным использование механического затворного клапана в сопловой части 918 для предотвращения проникновения давления сгорания, развитого в камере 904 сгорания, в форсунку 910. Соответственно, согласно некоторым вариантам реализации сопловая часть 918 может содержать механический затворный клапан, выровненный направляющей 943 подшипника, расположенной на сопловой части 918. На фиг. 25A-25C показан такой затворный клапан 1345, выполненный согласно одному варианту реализации изобретения. В частности, на фиг. 25A показан перспективный вид, на фиг. 25B показан вид сзади, и на фиг. 25C показан разрез вида сбоку по существу вдоль линии 25C-25C, показанной на фиг. 25B, затворного клапана 1345. Как показано на фиг. 25A-25C, в данном варианте реализации затворный клапан 1345 содержит выступающую часть 1351, проходящую из основной части 1347. Выступающая часть 1351 выполнена с возможностью по меньшей мере частичного приема в сопловую часть соответствующей форсунки. Затворный клапан 1345 имеет обтекаемую поверхность 1353, проходящую от основной части 1347 к выступающей части 1351. Обтекаемая поверхность 1353, расположенная на выступающей части 1351, содержит ребра или шлицы 1349, формирующие лопастное колесо. Затворный клапан 1345 дополнительно имеет поверхность 1357 сгорания, обращенную к камере сгорания. В затворный клапан 1345 от поверхности 1357 сгорания проходит отверстие или прорезь 1355. Отверстие 1355 может по меньшей мере частично принимать направляющую 943 подшипника, показанную на фиг. 21.
В использовании затворный клапан 1345 может быть переведен в закрытое положение давлением в камере сгорания, механической пружиной и/или магнитным усилием, которое обеспечивает электрический или постоянный магнит, встроенный в седло клапана. Положительное давление потока топлива, протекающего сквозь седло соответствующего клапана, открывает затворный клапан 1345 для обеспечения возможности протекания таким образом и впрыскивания топлива в камеру сгорания. Этот поток может создать эффект Коанда, благодаря которому затворный клапан 1345 удерживается в открытом положении во время протекания топлива в камеру сгорания. Согласно некоторым вариантам реализации может быть отслежено отношение скорости потока к давлению (включая, например, соотношение между доставляемым соответствующим образом топливом и давлением в камере сгорания), которое в силу эффекта Коанда соответствует положению затворного клапана 1345. Эта информация может быть использована для различных видов топлива, такого как бензин, дизельное топливо, аммиак, пропан, топливные спирты и различные другие виды топлива, которые могут быть использованы в форме жидкости, перегретой жидкости или пара, включая их различные сочетания с дополнительными комбинациями или без них, дополнительно включающими продукты термохимической регенерации, такие как водород и моноксид углерода.
Согласно одной особенности показанного на чертеже варианта реализации затворный клапан 1345 выполнен с возможностью формирования плотного потока топлива в чередующихся областях для улучшения сгорания топлива. Например, спиральные ребра или шлицы 1349 лопастного колеса служат для придания угловой скорости затворному клапану 1345 и в то же время формируют уплотненный поток топлива в чередующихся областях. Эта особенность конструкции может быть использована для облегчения ускоренного сгорания топлива в результате повышенной скорости смешивания. Эта особенность конструкции также может быть использована для столкновения впрыснутого топлива, направленного встречными потоками, как и формирование такого смещенного смешивания в соответствии с взаимно пересекающимися путями потока при вбросе топлива в воздух или другой окислитель, который вводится в камеру сгорания с угловым моментом, или который вводится для формирования завихрений благодаря геометрии камеры сгорания. Соответственно, затворный клапан 1345 может быть выполнен с возможностью придания углового момента потоку впрыснутого топлива в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки для желательного ускорения процесса теплоотдачи наряду с минимизацией передачи тепла к поверхности камеры сгорания.
На фиг. 26A показан разрез вида сбоку форсунки 1410, выполненной согласно другому варианту реализации изобретения. Форсунка 1410 содержит некоторые особенности, которые в целом подобны по структуре и функциям соответствующим особенностям форсунок, описанных выше. Например, форсунка 1410 в частности подходит для использования в пределах очень малого отверстия в головке относительно маломощного дизельного двигателя 1407. Например, форсунка 1410 содержит среднюю часть 1416, проходящую между основной частью 1414 и сопловой частью 1418. В показанном на чертеже варианте реализации форсунка 1410 использует корпус 1402 из ферромагнитного сплава в качестве части электромагнитной схемы с якорем привода 1424. Привод 1424 обычно опирается на первый магнитный или механический смещающий элемент или пружину 1435, расположенные технологически ниже привода 1424 в средней части 1416. Привод также может обычно опираться на второй смещающий элемент 1413, расположенный технологически выше привода 1424 в раззенкованном отверстии 1433 в средней части 1416. Электрический ток, протекающий в обмотке соленоида, перемещает привод 1424 линейно вдоль продольной оси форсунки 1410. Корпус 1402 также содержит и защищает керамический изолятор 1417 с высокой электрической прочностью, который может быть любым из изоляторов, подробно описанных выше. Изолятор 1417 изолирует проводящую трубку или металлизацию 1408, доставляющую электроэнергию для зажигания к сопловой части 1418. Например, кабель 1438 может передавать электроэнергию для зажигания металлизации 1408, которая передает электроэнергию для зажигания элементу зажигания или крышке 1421, расположенным у граничной поверхности камеры 1404 сгорания.
На фиг. 26B показан вид спереди форсунки 1410, содержащей элемент 1421 зажигания. Как показано на фиг. 26A и 26B, элемент 1421 зажигания содержит многочисленные радиальные зажигающие точки 1412 для инициирования эффекта зажигания, такого как искровая, плазменная, калильная и/или каталитическая стимуляция. В дополнение к зажигающим точкам 1412, элемент 1421 зажигания содержит многочисленные отверстия для ввода топлива в камеру 1404 сгорания, как описано выше. Дополнительные особенности для минимизации пространства, необходимого для использования форсунки 1410, могут быть обеспечены каналом 1442 для подачи топлива, проходящим от основной части 1414 к сопловой части 1418. Для многоцилиндровых двигателей канал 1442 для подачи топлива может быть соединен по меньшей мере посредством одного гибкого нагнетательного трубопровода с подходящим коллектором для распределения топлива.
В использовании электрический ток протекает в электромагнитной обмотке, которая притягивает привод 1424 к полюсной части 1441 для подачи топлива под давлением в форсунку 1410. Привод 1424 ударяет в зажим 1460 ограничителя, который может быть частью оболочки из полимера, имеющего высокую механическую и электрическую прочность, такого как полиэфирэфиркетон, который защищает и зажимает с возможностью соединения исполнительное устройство 1422. Исполнительное устройство 1422 соединено с редукционным клапаном 1420 в сопловой части 1418. Редукционный клапан 1420 принят в седло 1425 клапана. Согласно некоторым вариантам реализации исполнительное устройство 1422 может содержать стержень или кабель, в которые встроен кабелебопровод или группа различных нитей оптического волокна. Кроме того, редукционный клапан 1420 и седло клапана могут быть выполнены из ферромагнетика. Сопловая часть 1418 дополнительно содержит затворный клапан 1458, который также может быть выполнен из ферромагнетика. Затворный клапан 1458 проходит в полой трубке 1426 для подшипника и обеспечивает доступ для измерения давления и исчерпывающего просмотра очертаний температуры и перемещений в камере 1404 сгорания. Это обеспечивает отслеживание условий и событий в камере сгорания, включая перемещение поршня для определения его скорости и ускорения, давление в камере сгорания в периоды впуска, сжатия, впрыска, зажигания, распространения пламени, рабочего и выпускного тактов, а также температуру сгорания наряду с температурой компонентов камеры сгорания, включая поверхности поршня, стенок цилиндра, клапанов и головки. Нити оптического волокна и другие измерительные компоненты, предназначенные для передачи данных (включая, например, многослойную изоляцию электрически проводящих измерительных волокон), проходят в канале 1432, транспортирующем топливо, расположенном в полюсной части 1441.
Как показано на фиг. 26A и 26B, для минимизации диаметра форсунки 1410 в отверстии в головке 1407 двигателя, обеспечивающем доступ к камере 1404 сгорания, минимизирован общий диаметр форсунки 1410, включая кожух 1402 и кабель 1438 источника энергии. Кроме того, внутри форсунки 1410 может быть расположено исполнительное устройство 1422. Линии для передачи данных от исполнительного устройства 1422 могут проходить из основной части 1414 через выходное отверстие и уплотнение и могут быть соединены с внешним контроллером, процессором или запоминающим устройством. Подобным образом, изолированный кабель 1440 может быть расположен в основной части 1414 и может передавать электроэнергию для управления по меньшей мере одним пьезоэлектрическим или магнитострикционным устройством, включая, например, привод 1424.
В некоторых случаях применения затворный клапан 1458 может иметь ребра или прорези, образующие лопастное колесо, в целом подобно затворному клапану 1345, описанному выше и показанному на фиг. 25A-25C. Эти образующие лопастное колесо ребра или прорези могут придавать топливу угловую скорость для формирования уплотненного потока топлива в чередующихся областях, так что таким образом может быть усовершенствован тип порции топлива или шаблон сгорания топлива, впрыснутого сопловой частью 1418. Эта особенность конструкции может быть использована для облегчения ускоренного сгорания топлива в результате повышения скорости смешивания при столкновении встречных потоков топлива и/или формирования смещенного смешивания в соответствии с пересекающимися путями потоков во время впрыскивания топлива в воздух или другой окислитель, который введен в камеру сгорания с угловым моментом, или который образует завихрения в соответствии с геометрией камеры сгорания. Соответственно, затворный клапан 1458 может быть выполнен с возможностью сообщения углового момента, направленного по часовой стрелке или против часовой стрелки, потоку топлива для придания необходимого ускорения процессу теплоотдачи вместе с минимизацией передачи тепла к поверхности камеры сгорания.
На фиг. 27A показан разрез вида сбоку форсунки 1500, выполненной согласно другому варианту реализации изобретения. Показанная на чертеже форсунка 1500 в частности подходит для использования в двигателях с высокой или низкой степенью сжатия для обеспечения ускоренного и более полного сгорания различных видов топлива. Эти виды топлива могут иметь фактически любую комбинацию характеристик, включая, например, температуру, по меньшей мере одну смешанную фазу, вязкость, удельную энергоемкость, а также октановое и цетановое числа, включая октановое и цетановое числа, далеко отступающие от стандартов для обычной работы. В показанном на чертеже варианте реализации форсунка 1500 содержит некоторые особенности, которые в целом подобны по структуре и функциям соответствующим особенностям форсунок, описанных выше. Например, форсунка 1500 содержит среднюю часть 1582, проходящую между основной частью 1580 и сопловой частью 1584. Форсунка также содержит исполнительное устройство 1518, проходящее от привода 1515 к топливному редукционному клапану 1524.
В показанном на чертеже варианте реализации любое топливо, которое не воспламеняется искровым зажиганием (такое как дизельное топливо, изготовленное из энергетических сельскохозяйственных культур, жира животных и/или других органических отходов), может быть доставлено в форсунку 1500 через входное отверстие 1502. Топливо может протекать вдоль топливного пути мимо некоторых компонентов форсунки 1500. Например, топливо может протекать в основной части 1580 мимо армированного соответствующим образом измерительного сигнального кабеля 1504, крышки 1506 держателя пружины, сжимающей пружины 1508, дополнительного магнита 1514, привода 1515 и дополнительной сжимающей пружины 1516. Путь топлива продолжается в средней части по каналу 1531, выполненному в изоляторе 1530 с высокой электрической прочностью, и проходит в отверстие, выполненное в проводящей металлизации или трубке 1522, для доставки в сопловую часть 1584. В показанном на чертеже варианте реализации сопловая часть 1584 содержит седло, расположенное у граничной поверхности камеры 1550 сгорания, которое герметизировано нормально закрытым редукционным клапаном 1524. В некоторых случаях применениях металлизация или трубка 1522 может быть покрыта или плакирована материалом 1520, имеющим высокую электрическую прочность, в пределах области 1517 рядом с камерой сгорания с целью обеспечения надежного электрического контакта с редукционным клапаном 1524. В других случаях применения покрытие трубки 1520 может иметь высокую электрическую проводимость или высокую стойкость против искровой эрозии, необходимые для использования в качестве компонента схемы в процессах искрового и плазменного зажигания.
Таким образом, в зависимости от случая применения, металлизация или трубчатый компонент 1522 могут быть проводящей металлизацией, нанесенной на отверстие в диэлектрическом изоляторе 1530, или проводящим металлом, керамикой, полимером или композитом, которые обеспечивают у граничной поверхности специальное уплотнение для редукционного клапана 1524. Эта металлизация или трубчатый компонент 1522 вместе с исполнительным устройством 1518 и приводом 1515 позволяют минимизировать наружный диаметр форсунки 1500. Благодаря такой конструкции форсунка может иметь относительно большую длину, необходимую для достижения областей, в которых расположены по меньшей мере один верхний распредвал и исполнительное устройство для клапана.
Смещающие элементы или элементы, создающие тяговое усилие, могут быть пружинами (включая, например, механические пружинные формы, такие как спиральные, конические, плоские и криволинейные листовые или многослойные, эллиптические, витые пружины, а также различные диски, формирующие тарельчатые пружины), магнитами и/или пьезоэлектрическими компонентами, которые могут быть выполнены с возможностью создания при необходимости тягового или толкающего усилия. В различных применениях могут быть эффективными сочетания таких вариантов для обеспечения желательного быстродействия, резонансной настройки и/или демпфирования нежелательных характеристик.
В показанном на чертеже варианте реализации нормально закрытый редукционный клапан 1524 принудительно плотно сближен с седлом 1521 металлизации или трубки 1522 под действием растягивающего усилия, переданного исполнительным устройством 1518 и созданного сжимающей пружиной 1508 и пружинной крышкой 1506. Эти пружины могут быть соединены с исполнительным устройством 1518 с возможностью механического ограничения однонаправленного перемещения исполнительного устройства 1518 с целью приложения растягивающего закрывающего усилия к редукционному клапану 1524. Кроме того, редукционный клапан 1524 может быть оснащен острым кольцевым элементом или может иметь острые зажигающие точки, расположенные по окружности на расстоянии друг от друга. Проводящий корпус 1510 может служить частью магнитной схемы для обмотки 1519 соленоида и привода 1515. Корпус 1510 также может служить в качестве многофункционального компонента, проходящего к граничной поверхности камеры сгорания. Часть корпуса 1510, расположенная у граничной поверхности камеры сгорания, также может содержать внутренние зажигающие элементы 1528, такие как направленные внутрь в радиальном направлении острые выступы или кольцевой концентрический элемент. Кроме того, основная часть 1580 может содержать по меньшей мере одну канавку и кольцевое уплотнение 1537 или адгезивный состав, такой как уретан или эпоксидная смола, для герметизации топлива в пределах основной части 1580.
При использовании форсунка 1500 может принимать топливо под давлением через входное отверстие 1502. Топливо протекает к нормально закрытому редукционному клапану 1524 и затем выпускается в камеру сгорания путем активации редукционного клапана 1524 подходящим генератором усилия, таким как пьезоэлектрическое устройство или соленоидное устройство, для перемещения привода 1515. Привод 1515 противодействует растягивающему усилию, приложенному пружиной 1508, и таким образом обеспечивает возможность впрыска топлива в камеру сгорания из сопловой части 1584. В данном случае могут быть использованы любые способы доставки импульсов электрического тока большой силы в пространство между зажигающими элементами 1528 и металлизацией или трубкой 1522, и/или в зазор между редукционным клапаном 1524 и зажигающими элементами 1528. Например, изолированный кабель 1532 может передавать такой электрический ток выполненным с возможностью перемещения проводящим кабелям 1533, соединенным с проводящими металлизацией или волокнами, расположенными поверх исполнительного устройства 1518, для передачи таким образом электрического тока редукционному клапану 1524.
Такая операция может быть повторена с высокой частотой, включая настроенную в резонанс частоту, для формирования последовательности впрыска порций топлива. Эти повторные порции могут сопровождаться приложением акустического импульса к каждой порции топлива, который может быть создан пьезоэлектрическими или магнитострикционными силами. Эти импульсные силы могут включать силы, сформированные многофункциональным вариантом реализации привода 1515. Например, зажигание может быть осуществлено путем по меньшей мере одной ионизации воздуха по меньшей мере в одном из кольцевых зазоров между редукционным клапаном 1524 и ближайшей кольцевой частью 1511 кожуха 1522. Такой ионизированный воздух может продолжать выходить из кольцевой области 1517 для обеспечения надежного воспламенения топлива, впрыснутого в камеру 1550 сгорания через открытое наружу отверстие редукционного клапана 1524.
Развитие искры в относительно малом зазоре, который первоначально существует между редукционным клапаном 1524 и зажигающими элементами 1528 кольцевой части 1511, может быть инициировано конденсаторным разрядом, как описано в патенте США № 4122816, который посредством ссылки полностью включен в настоящую патентную заявку, для формирования тока плазмы, импульсы которого последовательно могут превышать 500 А для инициирования плазмы вслед за перемещением клапана 1524, направленным наружу, для впрыска и ускорения топлива в камере сгорания со сверхзвуковой скоростью и для его разбрызгивания и придания импульса порциям стратифицированного заряда топлива для ускоренного завершения процессов сгорания. Этот процесс распространяющегося воспламенения и ускоренного сгорания может адаптивно повторяться с каждой порцией впрыснутого топлива или адаптивно развиваться для осуществления распространяющегося быстрого воспламенения по меньшей мере двух последовательных порций впрыснутого топлива.
В некоторых случаях применения формирование плазмы может быть синхронизировано путем инициирования и формирования из ионизированных молекул топлива, которые входят в зазор между острыми или выступающими поверхностями или зажигающими элементами 1524 и 1528. При продолжении открывания редукционного клапана 1524 наружу плазма ионизированных молекул топлива впрыскивается в камеру сгорания со сверхзвуковой скоростью для надежного и быстрого сгорания каждой порции топлива. Этот распространяющийся процесс воспламенения может адаптивно регулироваться и повторяться с каждой порцией впрыснутого топлива или адаптивно развиваться для осуществления распространяющегося быстрого воспламенения по меньшей мере двух последовательных порций впрыснутого топлива. Был выяснен неожиданный и примечательный факт, состоящий в том, что благодаря адаптивному применению указанного процесса быстрого воспламенения и сгорания фактически при любой скорости поршня может быть обеспечен намного больший крутящий момент на одну калорию энергетического потенциала топлива.
Дополнительное преимущество этого выброса плазмы состоит в том, что благодаря очень быстрому впрыску, воспламенению и сгоранию, впрыск топлива может быть начат в верхней мертвой точке или после нее для снижения тепловых потерь во время периода сжатия. Соответственно, двигатель работает более гладко, и уменьшается трение, вызванное тепловыми потерями, которые могут быть причиной изменения размеров компонентов, перемещающихся относительно друг друга, а также трение, вызванное ухудшением характеристик пленок смазки, в частности на стенках цилиндра и поршневых кольцах. В результате увеличивается срок службы цилиндра и поршневых колец, уменьшаются тепловые потери, увеличивается топливная экономичность, и снижаются затраты на техническое обслуживание.
На фиг. 27B схематически показано графическое представление некоторых характеристик сгорания, относящихся к форсунке, показанной на фиг. 27A, а также другим форсункам, выполненным согласно вариантам реализации изобретения. Как показано на фиг. 27B, для компрессионного воспламенения дизельного топлива (которое должно иметь заданное цетановое число) требуется инициирование впрыска топлива под высоким давлением в начале такта сжатия. Под действием высокого давления жидкое дизельное топливо разбивается на микрокапли, и затем эти микрокапли продвигаются и распространяются достаточно далеко в нагретом сжатом воздухе для обеспечения достаточного тепла, причем жидкое топливо испаряется и продолжает проникать в дополнительно разогретый воздух с последующим расщеплением больших молекул испаренного топлива на микромолекулы, которые начинают процесс воспламенения. Если воздух недостаточно нагрет, и/или если микрокапли недостаточно малы, и/или если скорость поршня слишком низка или слишком высока, то дизельное топливо достигает более холодных областей камеры сгорания, и тепло теряется на поверхностях камеры сгорания, таких как поверхности поршня, стенок цилиндра и компонентов головки, а несгоревшие частицы и углеводороды уходят в выхлоп, часть которого имеет вид черного дыма, в то время как другая часть в форме микрочастиц выбрасывается в окружающую среду и является особенно вредной для легких, сердца и сосудов людей и животных.
Кривая 1596 на графике работы дизельного двигателя содержит часть, отражающую рост давления перед верхней мертвой точкой (далее ВМТ). Эта часть (перед TDC) отражает рост давления и характеризует "обратную работу", которая больше для более раннего инициирования впрыска и начала сгорания. Чем выше скорость поршня, тем раньше должно начинаться инициирование впрыска и сгорания для полного завершения событий испарения, расщепления и сгорания. В каждый период впрыска дизельного топлива в течение цикле сгорания часть топлива, которая наиболее изолирована горячим избыточным воздухом, быстро испаряется, расщепляется и быстро сгорает, достигая температуры выше 2200°C (4000°F), которая является пороговой для формирования оксидов азота.
Для сравнения, использование встроенных форсунок/запальных свечей согласно настоящему изобретению, как показывает кривая 1598, обеспечивает более быстрое инициирование и завершение сгорания при всех скоростях поршня и эксплуатационных режимах и формирует увеличенную рабочая зону графика под кривой давления (значительную часть, если не все пространство рабочего такта для крутящего момента на обороты в минуту) с результирующим улучшением топливной экономичности и повышением номинальной мощности по сравнению с работой обычного дизельного двигателя. Топливо может быть быстро впрыснуто посредством больших топливопроводов (намного позже, чем при компрессионном воспламенении или после ВМТ) для полного ускоренного сгорания. Это потому, что при любом ситуативном состоянии входной температуры воздуха, атмосферного давления, или типа топлива (в частности включая характеристики сгорания), которые вызывают нежелательные результаты, такие как формирование оксидов азота, чрезвычайно высокое давление на критичные компоненты двигателя или потеря тепла из-за развития проникновения изолирующего окислителя, многопорционная многотопливная работа может адаптивно обеспечить достаточные энергию плазмы и/или газообразование (сверхкавитацию) для устранения необходимости в характерном для двигателей дизельного типа впрыске под высоким давлением сквозь малые смещенные отверстия и соответствующей необходимости проникновения топлива в горячем воздухе на протяженное расстояние для испарения, расщепления и сгорания. Кроме того, форсунки, описанные в настоящей заявке, могут прекратить многочисленное впрыскивание топлива в любой момент, если достигнута максимальная температура сгорания 2200°C (4000°F), или если область сгорания выходит за пределы избыточной изоляции воздуха и приближается к области быстрого охлаждения. После такого прекращения впрыска может быть возобновлено по меньшей мере одно дополнительное впрыскивание топлива для достижения желательного совершения работы в каждом рабочем цикле. Кроме того, форсунки, описанные здесь, могут прекращать многочисленное впрыскивание топлива в любой момент, если давление сгорания приближается к заданному максимуму, для предотвращения повреждения поршня, шатуна, подшипников или коленчатого вала и/или избежания вызванного давлением нежелательного формирования радикалов или составов, таких как различные оксиды азота.
Процесс распространяющегося быстрого воспламенения и сгорания облегчает плавную работу двигателя по всему намного увеличенному диапазону мощностей, включая работу такого количества цилиндров многоцилиндрового двигателя, которое необходимо для мгновенного удовлетворения нагрузочных требований. Например, распространяющееся быстрое воспламенение обеспечивает намного более быстрый и более эффективный ответ на требование водителя (или запрос системы круиз-контроля, т.е. системы автоматического регулирования скорости) в отношении увеличенных крутящего момента или частоты вращения двигателя. Это дополнительно умножает преимущества, состоящие в более длительном сроке службы цилиндров и поршневых колец, наряду со снижением тепловых потерь, для обеспечения значительного повышения топливной экономичности и снижения загрязняющих окружающую среду выбросов, а также для снижения затрат на техническое обслуживание.
Проблемы выбросов, загрязняющих окружающую среду, являются следствием "старт-стопного" режима работы и запуска холодного двигателя, а также состояния каталитического фильтра, при котором не происходят процессы каталитической коррекции работы разогретого двигателя в установившемся режиме. Однако другое преимущество процесса распространяющегося быстрого воспламенения и сгорания состоит в намного более чистом выхлопе при любой температуре двигателя, включая, например, холодный двигатель или двигатель, работающий в старт-стопном режиме. Соответственно, в этих проблематичных состояниях рабочий цикл может быть начат с облегченными или отсутствующими требованиями к энергопотреблению стартера или расходу пусковой энергии, которая требуется для традиционных двигателей. Благодаря применению процесса распространяющегося быстрого зажигания и сгорания к каждому цилиндру, который выполняет рабочий такт, может быть обеспечен запуск без традиционного требования относительно большой пусковой мощности для запуска двигателя. Обычная работа требует, чтобы при запуске двигателя поршни совершали возвратно-поступательное перемещение и проходили такт всасывания для образования вакуума во впускной системе, в которую добавлено топливо для изготовления гомогенной смеси, любая часть которой должна быть воспламенена искрой, с последующим пусковым поворотом распредвала для обеспечения открывания впускного клапана и закрывания выпускного клапана, в то время как более или менее гомогенный заряд смеси, который, как ожидается, изготовлен во впускной системе, передается в камеру сгорания. Дальнейшее вращение коленвала вызывает сжатие более или менее гомогенной смеси и требует усилия, противостоящего давлению, которое растет, если достигнуто воспламенение гомогенной смеси, для выполнения процесса обратной работы вплоть до перехода через верхнюю мертвую точку. Какая бы энергия ни оставалась в воспламененных газах, она используется для совершения положительной работы в течение рабочего такта для поддержания режима запуска двигателя.
Подобным образом, дизельный двигатель с компрессионным воспламенением, который модернизирован согласно настоящему изобретению и использует процессы распространяющегося быстрого зажигания и сгорания в каждом цилиндре, который выполняет рабочий такт, обеспечивает запуск без традиционного требования в отношении большого расхода мощности для запуска двигателя. Обычная работа дизельного двигателя с компрессионным воспламенением требует, чтобы при повороте коленвала двигателя поршни совершали возвратно-поступательное перемещение, проходя такты всасывания для передачи воздуха во впускную систему, и последующий поворот коленвала вызывает поворачивание распредвала для обеспечения открывания впускного клапана и закрывания выпускного клапана, при этом воздух из системы впуска передается в камеру сгорания, и последующее вращение коленвала вызывает сжатие воздуха до достижения достаточной температуры, при этом дизельное топливо, впрыснутое под высоким давлением в результате последующего вращения коленвала, испаряется и расщепляется, чтобы, как ожидается, инициировать воспламенение испаренного и расщепленного топлива при его смешивании с горячим воздухом, и при дальнейшем вращении коленвала происходит процесс совершения обратной работы до верхней мертвой точки, а энергия, оставшаяся в воспламененных газах, должна достичь достаточного количества для совершения положительной работы в течение рабочего такта для поддержания режима запуска двигателя.
Как показано на фиг. 27A, измерительное средство и сигнальный кабель 1504 могут иметь дополнительное армирование в средней секции 1518 между верхним гнездом 1506 пружины и креплением или механическим ограничителем хода в топливном клапане 1524. Такое армирование может содержать средства для приложения рабочего усилия приводом 1515 к кольцевому выступу 1512 механического ограничителя хода для обеспечения соответствующей прочности на растяжение, усталостной прочности и электрической прочности и в результате для надежного устойчивого режима работы, способствующего увеличению срока службы. Измерительный кабель 1526, расположенный в граничной поверхности камеры сгорания, выполнен с возможностью перемещения и может выдерживать высокую температуру и давление, действующие на клапан 1524, расположенный у граничной поверхности камеры сгорания. Это измерительное средство также может обеспечивать беспроводную связь с микропроцессором 1539, расположенным в форсунке 1500, и/ или с другим микропроцессором или компьютером 1540, расположенным в дальнем конце корпуса 1510 или за его пределами.
Тепловые данные о газообразных, плазменных и твердых веществах на поверхностях камеры сгорания, включая инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые частоты электромагнитного спектра, могут быть обработаны, наряду с данными о давлении и ускорении, и переданы посредством интегрированных беспроводных узлов или передающих и/или проводящих волокон в исполнительное устройство 1518. Например, исполнительное устройство 1518 может содержать подходящие измерительные средства, такие как преобразователи, для передачи данных в микропроцессор 1539, и/или для передачи через соответствующее уплотнение посредством кабеля 1504 в дистанционный микропроцессор или компьютер 1540.
Для питания узла датчика, который может работать на частотах от нескольких килогерц до нескольких гигагерц, могут быть использованы подходящее устройство для преобразования энергии или комбинация устройств, таких как фотогальванические, термоэлектрические, электромагнитные, электрические и пьезоэлектрические генераторы электроэнергии. Работу датчиков могут обеспечивать операционные системы, такие как TinyOS, компонентная операционная система с открытым исходным кодом и платформа для беспроводных сетей датчиков, разработанная в Калифорнийском университете в Беркли. Такие операционные системы могут быть использованы для инициирования и облегчения работы реле, системных выходов и/или систем аварийной сигнализации, срабатывающих при возникновении заданных событий. Эти события могут быть обнаружены измерительным средством, расположенным в сопловой части 1584, или преобразователем и анализатором 1535 сигналов, и могут включать данные, зарегистрированные датчиками давления и оптическими датчиками, переданные посредством функционального соединения или прозрачного изолятора 1530, или с использованием волокон или каналов, проходящих в изоляторе 1530.
Эти комбинации повышают соответствующую механическую и электрическую прочность собранных компонентов для обеспечения выработки высоковольтной плазмы компонентами, которые имеют очень малые размеры. В частности, может быть обеспечен многофункциональный клапан, который перемещается для возбуждения выброса плазмы и препятствует загрязнению золой и осадочными отложениями при использовании неочищенных и относительно недорогих видов топлива. Такие преимущества также могут быть обеспечены синергическим сочетанием редукционных клапанов и описанных здесь затворных клапанов, которые блокируют давление, созданное во время сгорания, а также обеспечивают управление топливом у граничной поверхности камеры сгорания для устранения просачивания или подтекания топлива в нежелательные моменты времени.
Дополнительные преимущества, облегчающие обработку измерений, могут быть обеспечены добавлением к топливу реагентов, которые способствуют обнаружению перемещения и очертания процесса сгорания, а также предпочтительные тепловые сигнатуры, в целях управления процессами сгорания и/или пиковой температурой сгорания. При использовании такие добавки в относительно малом количестве доставляются в качестве смешивающихся реагентов или коллоидных суспензий, которые излучают фотоны на некоторых известных частотах после нагрева, ионизации или деионизации. Также могут быть использованы мелкодисперсные или иным способом активированные переходные металлы, которые могут храниться и сочетаться с моноксидом углерода, выделяющимся в результате эндотермических реакций, в соответствии с вариантами реализации хранения топлива согласно настоящему изобретению, или для формирования карбонилов, которые могут быть использованы в качестве другого семейства добавок, используемых в качестве излучающих индикаторов для результатов процесса воспламенения и сгорания. В качестве варианта, по меньшей мере один из выбранных карбонилов переходного металла, такого как марганец или железо, может быть подготовлен и сохранен для регулярного или эпизодического добавления к используемому топливу. Например, по меньшей мере одна из добавок таких органических или неорганических веществ, которые содержат марганец, железо, никель, бор, натрий, калий, литий, кальций или кремний, является типичным реагентом с четко различимыми образами источника эмиссии для целей такого характеризования динамики и отображения температуры или скорости процесса. Такие добавки могут непрерывно или эпизодически подаваться из резервуаров-хранилищ для калибровки преобразователей, которые обнаруживают температуру, наряду с динамикой процесса воспламенения различных реагентов и продуктов процесса сгорания. Такие свойства используются системами обнаружения и анализа для определения температуры (включая предотвращение температур, при которых формируются оксиды азота), этапов процесса сгорания и скорости процесса сгорания. Эти результаты могут быть использованы для всесторонней регистрации улучшений топливной экономичности наряду с совокупными итогами преимуществ, таких как снижение содержания в выхлопе диоксида углерода, оксидов азота и твердых частиц.
На фиг. 28 показана форсунка 1600, выполненная согласно другому варианту реализации изобретения. В частности, на фиг. 28 показан разрез вида сбоку форсунки 1600, которая содержит некоторые особенности, в целом подобные по структуре и функциям соответствующим особенностям форсунки 1500, описанной и показанной на фиг. 27A, а также других форсунок, описанных в настоящей заявке. Соответственно, эти подобные особенности форсунки 1600 не будут описаны и показаны на фиг. 28. Однако форсунка согласно варианту реализации, показанному на фиг. 28, выполнена с возможностью обеспечения некоторых или большей части процессов преобразования энергии по меньшей мере для следующего: 1) отслеживания состояния и событий в камере сгорания, включая, например, температуру, процессы сгорания, давление, движение текучих сред, таких как газы, пары и жидкости, а также положение поршня или ротора, скорость и ускорение; 2) управления электронными преобразователями, процессорами, компьютерами и контроллерами (например, процессорами 1535 и 1539, описанными выше и показанными на фиг. 27A) в ответ на отслеженные состояния с целью адаптивной оптимизации инициирования впрыска топлива, завершения впрыска топлива, регулировки задержек между любым следующим инициированием впрыска топлива, а также выбора и синхронизации соответственно оптимизированных процессов воспламенения; 3) активации и питания исполнительных устройств для клапана и приводов, которые прикладывают усилие к соответствующим редукционным и/или затворным клапанам; и 4) активации и питания функций адаптивно оптимизированной системы зажигания.
Термоэлектрическая выработка энергии в этих целях наряду с проводной или беспроводной передачей сигналов к электронному контроллеру и от него могут быть обеспечены за счет части энергии, переданной посредством перепада температур между процессом сгорания и более низкой температурой, такой как температура вводимого топлива, которое может иметь температуру окружающего воздуха или ниже. Например, по меньшей мере одно устройство, включая любое из таких как полупроводниковый термоэлектрический генератор 1620, может быть расположено в форсунке для захвата лучистой энергии от процесса сгорания и выработки необходимой высокой температуры. Соответствующая низкая температура может быть равна температуре топлива, которое протекает в проводящей трубке 1622. Подходящие термоэлектрические пленки и схемы могут быть приобретены в компаниях, таких как Perpetua Power Source Technologies, Inc, 4314, Юго-западное Шоссе Ресеч, г. Корвалис, штат Орегон, 97333 (См., например, http://www.perpetuapower.com/products.htm). Кроме того, беспроводные узлы датчика для этих целей могут быть приобретены в компаниях, таких как Microchip, Atmel и Texas Instruments.
Согласно другому варианту реализации генератор мощности или электроэнергии может содержать фотогальванический генератор 1625, который может быть расположен рядом с термоэлектрическим генератором 1620 или составлять с ним одно целое. Также, фотогальванический генератор 1625 может преобразовывать излучение, испущенное из камеры сгорания, в электроэнергию. Фотогальванический генератор 1625 может дополнительно служить в качестве измерительного преобразователя для измерения температуры или других характеристик сгорания и событий в камере сгорания. Фотогальванический генератор 1625 может охлаждаться за счет передачи тепла топливу, которое протекает рядом в топливопроводе в сопловой части форсунки 1600. Для надежной передачи тепла топливу, протекающему в сопловой части, фотогальванический генератор 1625, а также холодная сторона термоэлектрического генератора 1620, могут быть установлены на материале с высокой теплопроводностью или соединены с ним, таком как серебро, медь, алюминий, оксид бериллия или алмаз, который передает тепло проводящей трубке 1622.
Другие подсистемы для выработки энергии, которые могут быть встроены в форсунку 1600, включают управляемые вибрацией электреты и электромагнитные генераторы. Несколько большие количества энергии могут быть выработаны по меньшей мере одним пьезоэлектрическим устройством 1631 в качестве части изолятора 1630 форсунки 1600. Пьезоэлектрическое устройство 1631 может быть использовано для выработки искры или плазмы для воспламенения топлива, которое впрыскивается в камеру сгорания. Выработка искры в таких пьезоэлектрических процессах может быть использована инициирования разряда сильноточной плазмы, как в целом описано в патенте США № 4122816, который посредством ссылки полностью включен в настоящую патентную заявку. Пьезоэлектрическое устройство 1631 в качестве интегрированного компонента форсунки 1600 может быть установлено для приема усилия, приложенного в результате событий в камере сгорания, путем выбора материала для изолятора 1630 с относительно низким модулем упругости, который обеспечивает механическое напряжение пьезоэлектрического устройства 1631.
Соответственно, пьезоэлектрическое устройство 1631 может служить в качестве датчика давления и в качестве электрогенератора. Например, оно может преобразовывать деформацию, возникающую при его сжатии во время такта сжатия и/или при увеличении давления сгорания в камере сгорания, и на начальной стадии служить в качестве электрически открытой системы, которая может быть соединена с искровым зазором между редукционным клапаном 1624 и зажигающим элементом 1628. Вследствие пробивного напряжения в искровом зазоре происходит искровой разряд. В некоторых режимах работы такой пробой для формирования разряда может стимулироваться добавками к топливу, которые снижают пробивное напряжение, так что синхронизация такого зажигания совпадает с подачей топлива в искровой зазор. Добавки к топливу в таких целях могут включать описанные выше добавки для формирования желательного испускаемого излучения после их достаточного нагрева, ионизации и/или деионизации.
В некоторых случаях применения дополнительная энергия, которая вырабатывается пьезоэлектрическим устройством 1631 в результате давления, созданного сгоранием, может быть приложена посредством высоковольтного кабеля 1632 к отдельной форсунке, которая используется в другом цилиндре. Эта дополнительная энергия также может быть использована в других целях, таких как управление пьезоэлектрическим или соленоидным приводом клапана, исполнительными устройствами и/или приводами. В таких случаях применения подходящая схема для согласования, хранения и переключения энергии может содержать трансформатор, конденсатор, диод и переключатель, как показано в следующих источниках: Руководство по эксплуатации пьезоэлектрических датчиков для измерения усилия и давления одновременно с выработкой энергии, "Пьезоэлектрическая керамика, характеристики и применение", Дж. В. Ваандерс (J.W. Waanders), опубликовано компанией N.V. Phillips в апреле 1991; а также информация, опубликованная на сайте www.morganelectroceramics.com/pzbook.html, каждый из которых посредством ссылки полностью включен в настоящую патентную заявку.
Соответственно, форсунка 1600, показанная на фиг. 28, может обеспечивать для каждого цилиндра двигателя во время каждого цикла работы адаптивно оптимизированную синхронизацию подачи топлива по меньшей мере в один из последовательных актов впрыска топлива. Форсунка 1600 также может обеспечивать оптимизированную синхронизацию и адаптивное использование систем воспламенения, выбранных из пьезоэлектрического, индуктивного, конденсаторного разрядов и плазменного выброса, наряду с управлением пиковой температурой сгорания. Показанная на чертеже форсунка 1600 может действовать в качестве автономной адаптивно оптимизированной системы для впрыска и воспламенения топлива, которая нуждается только в подходящем соединении с источником топлива. Согласно другим вариантам реализации форсунка 1600 может работать совместно с другими подобными форсунками, включая случаи применения интерактивного искусственного интеллекта для улучшения рабочих характеристик. Показанная на чертеже форсунка 1600 также может распределять электрическую энергию по меньшей мере одной другой форсунке в таких случаях применения, как питание регулирующих топливных клапанов или измерительных средств для обнаружения температуры и датчиков давления, питание зажигания и/или управление микропроцессорами или компьютерами.
При использовании многочисленные комбинации вариантов реализации, описанных здесь, обеспечивают эффективное использование фактически любого вида топлива. Например, согласно вариантам реализации настоящего изобретения для облегчения запуска холодного двигателя с обеспечением начального надежного формирования чистого выхлопа путем применения процесса распространяющегося быстрого зажигания и сгорания, описанного на примере процессов конденсаторного разряда, с использованием форсунок, описанных в настоящей заявке, включая в частности, например, форсунку 1500, описанную выше и показанную на фиг. 27A, может использоваться топливо, которое содержит компоненты с большой молекулярной массой, такие как низкоцетановые растительные или животные жиры, очищенная нефть, парафин или вазелин, которые обычно не могут использоваться для запуска холодного двигателя. После того, как двигатель начнет производить достаточно теплые охладитель и/или выхлопные газы для управления термохимическим процессом регенерации с целью изготовления водорода, как получено в приведенном ниже Равенстве 7, энергия, необходимая для полного чистого сгорания, значительно уменьшается, и для значительного сокращения расходов энергии для зажигания может быть использовано зажигание пьезоэлектрическим генератором 1631 или термоэлектрический генератор 1620, расположенными в форсунке 1600, показанной на фиг. 28.
Выражение 7
HxCy+yH2O+ТЕПЛО --> yCO+{y+0,5(x)}H2
Схожим образом, неполное окисление таких углеводородов может быть использовано как представлено в Равенстве 8 для изготовления достаточного водорода, содержащегося в продуктах реакции, для обеспечения надежного зажигания относительно низкоэнергетической искровой плазмой, выработанной пьезоэлектрическим генератором 1631 или термоэлектрическим генератором 1620.
Выражение 8
HxCy+0,5yO2 --> ТЕПЛО+yCO+0,5(x)H2
Теплота, выделяемая в процессе, описанном Выражением 8, может быть использована в эндотермических процессах, таких как показанный в Равенстве 7.
На фиг. 29 показан разрез вида сбоку форсунки 1700, выполненной согласно другому варианту реализации изобретения. Показанный на чертеже вариант реализации содержит некоторые особенности, которые в целом подобны по структуре и функциям соответствующим особенностям форсунок, описанных выше. Например, форсунка 1700 содержит среднюю часть 1703, проходящую между основной частью 1701 и сопловой частью 1705. Форсунка 1700 также содержит трубчатый фитинг 1704, который также служит в качестве ферромагнитного полюса соленоида и который содержит изолированную обмотку, расположенную в кольцевой области 1710 в основной части 1701. Форсунка 1700 также содержит магнитную цепь 1708, которая вынуждает привод 1714 к сближению с кольцевым выступом 1716 ограничителя. Кольцевой выступ 1716 соединен с исполнительным устройством 1718, которое также соединено с редукционным клапаном 1738, расположенным в сопловой части 1705. Привод 1714 создает растягивающее напряжение в исполнительном устройстве 1718, которое удерживает редукционный клапан 1738 в закрытом положении. Подобно другим вариантам выполнения форсунок, описанным в настоящей заявке, показанная на чертеже форсунка 1700 выполнен с возможностью осуществления функций управления топливом, дозирования и впрыска топлива, обеспеченных использованием по меньшей мере одного из подходящих пневматического, гидравлического, пьезоэлектрического и/или электромеханического процессов, примененных к активирующим компонентам форсунки 1700. Кроме того, форсунка 1710 подходит для взаимозаменяемого использования широкого разнообразия различных видов топлива. Кроме того, форсунка 1700 также выполнена с возможностью использования с двигателями, которые имеют широкий диапазон мощностей и от которых требуется относительно плоская кривая крутящего момента.
При использовании протекание электрического тока в обмотке 1710 вызывает закрывание редукционного клапана 1738. В частности, электрический ток в обмотке 1710 вынуждает привод 1714 к сближению с полюсной частью 1704, которая прикладывает к исполнительному устройству 1718 растягивающее усилие. Редукционный клапан 1738 может быть адаптивно открыт при ослаблении растягивающего усилия, действующего на исполнительное устройство 1718. Если привод 1714 не прикладывает растягивающего усилия к исполнительному устройству 1718, смещающий элемент 1722 может вызвать перемещение привода 1714 в направлении от полюсной части 1704. Примеры подходящих смещающих элементов 1722 включают механические пружины наряду с соответствующими подпружиненными постоянными магнитами кольцевого типа или электромагнитами. Смещающий элемент 1722 может быть расположен в средней части 1703 форсунки 1700 технологически ниже привода 1714. Если привод 1714 смещен к полюсной части 1704, для перемещения привода 1714 соленоид должен приложить намного меньшее усилие по сравнению с моментами, когда привод 1714 расположен в наиболее удаленном от полюсной части 1704 положении.
Если привод 1714 смещен к полюсной части 1704, для формирования импульса электрического тока в соответствии с выбранной частотой "удерживания" к обмотке 1710 катушки должно быть приложено напряжение. Каждый раз при прохождении импульса электрического тока в обмотке 1710 возникает противоэлектродвижущая сила (противо-ЭДС). Зарядная схема 1705 (показана схематично) может использовать противоэлектродвижущую силу для заряда конденсатора 1712, который может быть расположен в показанном на чертеже положении. Для этой цели могут подходить различные схемы. Схема 1705 может быть расположена в форсунке 1700, на поверхности форсунки 1700 или в других подходящих местах и может содержать по меньшей мере одну интегральную схему, которая обеспечивает соответствующие применение принципов, описанных в патентах США №№ 4122816 и 7349193, каждый из которых посредством ссылки полностью включен в настоящую патентную заявку. Выход может быть соединен с проводящими волокнами или проводящим покрытием (не показаны в целях ясности), расположенными на исполнительном устройстве 1718, и/или посредством электрического кабеля 1707.
В соответствующий момент времени, когда акт впрыска топлива в окислитель 1740 камеры сгорания адаптивно оптимизирован микроконтроллером 1706, напряжение, приложенное к обмотке 1710, отключается, и противоэлектродвижущая сила может быть приложена к конденсатору 1712, который переключается для передачи электрического тока, который является адаптивно соответствует оптимизации требований зажигания топлива. Как указано выше, эти требования впрыска топлива могут быть определены путем анализа данных о камере сгорания, включая оптическую и напорную информацию, переданную преобразователями, расположенными в граничной поверхности 1736 камеры сгорания, и/или датчиками 1709 и/или контроллером 1706, которые передают эти данные с использованием беспроводных узлов или оптически передающих или электрически проводящих линий связи, которые могут быть встроены в исполнительное устройство 1718.
При холодном топливе, холодном двигателе, в режиме ускорения, в режиме круиз-контроля при разогретом двигателе или в случаях применения старт-стопного режима для возбуждения ионизации между проводящей частью острого обода редукционного клапана 1738 и/или проводящей частью острого обода трубки 1738 в области 1725 адаптивно оптимизированный электрический ток, включая адаптивно определенные значения достаточно сильного электрического тока и достаточно высокого напряжения, может быть доставлен посредством по меньшей мере одного подходящего проводника, как описано выше. Дополнительный импульс, приложенный по меньшей мере к одной порции впрыснутого топлива, может быть создан звуковым сигналом, как описано выше. Соответственно, топливо, которое входит в область между такими острыми частями проводника, ионизируется и быстро ускоряется до сверхзвуковых скоростей при впрыске ионизированных компонентов топлива вместе с активированными неионизированными компонентами топлива в окислитель 1740, в результате чего достигается очень быстрое и полное сгорание.
Эта новая технология позволяет достичь или превысить скорость обычного сгорания водорода при использовании очень холодного или медленно сгорающего топлива, скорость сгорания которого обычно в 7-12 раз ниже скорости сгорания водорода. В случае, если эта новая технология применяется к водороду или водородным и углеводородным смесям, происходит еще более быстрое сгорание. Эти преимущества могут быть применены к двигателям малой мощности, которые могут обеспечивать очень высокий коэффициент удельной мощности путем повышения эксплуатационной эффективности, которое обеспечивается сокращением тепловых потерь и потерь на обратную работу для улучшения среднего эффективного давления (P) при испытании на тормозной установке наряду с увеличением пределов частоты (N) выполнения цикла. Таким образом, как показано в Равенстве 9, приведенном ниже, выработка энергии (НР) в тепловой машине увеличивается при увеличении среднего эффективного давления (P) и частоты (N) циклов.
Выражение 9
НР=PLAN,
где: НР - полученная мощность;
L - длина хода;
A - область применения тормозного среднего эффективного давления;
N - частота циклов (скорость вращения в об\мин).
Варианты выполнения новых высокопрочных диэлектрических материалов, описанные здесь, также делают возможным осуществление новых процессов с различными углеводородами, которые могут храниться в течение длительного периода для обеспечения тепла и энергии в различных сочетаниях и случаях применения мотор-генераторов с теплообменниками для использования при срочных аварийно-спасательных работах, включая холодильное хранение и изготовление льда наряду с чистой и/или безопасной водой и оборудованием для стерилизации в медицинских целях. Топливные вещества с низким давлением паровой фазы и/или вязкие топливные вещества могут быть нагреты для достаточного повышения давления паровой фазы и уменьшения вязкости для быстрого протекания и изготовления порций впрыснутого топлива с высоким коэффициентом удельной поверхности, при которых быстро протекают процессы сгорания стратифицированных или послойно сформированных топливных зарядов. Например, большие блоки парафина, прессованной целлюлозы, стабилизированных животных или растительных жиров, гудрона, различные полимеры, включая полиэтилены, отходы дистилляции, низкосортное дизельное топливо и другие длинные углеводородные алканы, ароматические углеводороды и циклоалканы могут сохраняться на случай стихийного бедствия. Эти показательные варианты топлива, которые обеспечивают преимущества длительного хранения, не могут быть использованы в системах с обычной карбюрацией или инжекционных системах. Однако настоящие варианты реализации обеспечивают использование таких видов топлива, которые могут быть нагреты с использованием горячего охладителя или выхлопных потоков из тепловой машины в теплообменниках 3436, 3426 (как показано на фиг. 14) для обеспечения соответствующих температур, например, примерно от 150°С до 425°C (от 300°F до 800°F) для осуществления непосредственного впрыска форсунками, описанными в настоящей заявке для очень быстрого сгорания с использованием инжекционного и плазменного распространяющегося воспламенения.
При использовании такое подвергнутое предварительному нагреву жидкое топливо может быть охлаждено до некоторой степени теплообменом с окружающей атмосферой или охладителем, который проходит через теплообменные устройства, с целью локального снижения давления паровой фазы и таким образом для уменьшения усилия, необходимого согласно вариантам реализации форсунок, описанных в настоящей заявке, для хранения таких видов топлива, чтобы таким образом предотвратить подтекание в нежелательные моменты времени. Дополнительная надежность хранения может быть при необходимости достигнута в зависимости от конкретного вида топлива путем использования по меньшей мере двух клапанов, таких как затворные клапаны, описанные в настоящей заявке.
Однако с двигателями малой мощности и передовыми конструкциями высокоскоростных дизельных двигателей связаны сложные проблемы, поскольку для доступа встроенной форсунки/запальной свечи в камеру сгорания оставлено очень небольшое пространство. Оптимизированные операции процесса могут быть предусмотрены в частности для тех двигателей, которые имеют очень малые входные каналы, ограничивающие диаметр сопловой части форсунки 1705, которая проходит к граничной поверхности камеры сгорания. Тепловой барьер или защитная часть 1728 может обеспечивать высокую механическую, усталостную и электрическую прочность, которые необходимы для использования без армирования металлической рубашкой в сопловой части 1705. Электропроводность, обеспеченная металлическим корпусом двигателя рядом с сопловой частью 1705, окружающим изолятор 1730, может быть продолжена посредством проводящей области 1734, которая может представлять собой подходящую металлическую металлизацию, наконечник из металлического сплава, который соединен сваркой с концом сопловой части 1705 или обжатой на месте металлической формой, которая таким образом соединена с трубчатым изолятором 1730, как показано на чертеже. Каждый из этих способов может быть использован в соответствии с требованиями к размерам для различных двигателей, включая двигатели новой конструкции, которые только разрабатываются.
Варианты реализации форсунки, которые обеспечивают экономию пространства и скоростные рабочие характеристики, как показано на фиг. 29, а также другие варианты реализации настоящего изобретения могут быть зафиксированы на месте различными соответствующим средствами, включая осевой зажим или вильчатую плоскую пружину (не показаны), которые надежно фиксируют узел в защитной части 1727 таким образом, что он плотно взаимодействует с кромкой отверстия в двигателе, ведущего к камере сгорания. Таким образом, защитная часть 1727 может служить тепловым барьером и дополнительно обеспечивать удобное средство для надежного удерживания узла на месте. Также могут быть использованы различные подходящие уплотнения для камеры сгорания, включая например сжимаемое или эластомерное кольцевое уплотнение или конусообразное компрессионное уплотнение.
В случаях, в которых для впрыска и/или воспламенения топлива в камере сгорания очень большого двигателя должны быть использованы по меньшей мере две форсунки согласно настоящему изобретению, и при этом желательно размещение таких форсунок в ключевых местах, которые требуют использования относительно небольших впускных каналов, топливный редукционный клапан форсунки может быть выполнен как показано на фиг. 30A. В частности, на фиг. 30A показан разрез частичного вида сбоку форсунки, содержащей регулирующий клапан 1850, выполненный в соответствии с другим вариантом реализации изобретения. Согласно одному варианту реализации показанный на чертеже клапан 1850 может быть использован вместе с форсункой 1700, описанной выше и показанной на фиг. 29, и/или с другими вариантами описанных здесь форсунок. Как показано на фиг. 30A, часть регулирующего клапана 1850, имеющая больший диаметр, может удерживаться в закрытом положении вплотную с седлом 1852 посредством кабельного узла или исполнительного устройства 1818. Исполнительное устройство 1818 может быть соединено (например, сваркой, посадкой, и т.п.) с клапаном 1850. Подходящий привод (например, пьезоэлектрический или электромагнитный привод, такой как привод 1714, показанный на фиг. 29) может натягивать и отпускать исполнительное устройство 1818 для перемещения клапана 1850. Кроме того, клапан 1850 может быть направлен или ограничен однонаправленным перемещением в пределах внутреннего диаметра клапанной коробки. Например, клапан 1850 может направляться электродом. Согласно другим вариантам реализации клапан 1850 для обеспечения выравнивания также может проходить вдоль направляющего штифта 1856.
Регулирующий топливо клапан 1850 может быть выполнен из любого подходящего материала, включая, например, оптически прозрачные материалы, такие как соединения на основе фтористого стекла, кварц, сапфир или полимерные материалы, включая различные композиты на основе таких материалов, для отслеживания инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения, а также давления и актов перемещения в камере сгорания. Регулирующий топливо клапан 1850 также может быть плакирован или обработан различными материалами для усиления желательного излучения, которое может быть принято линзой и направляющим штифтом 1850. Например, клапан 1850 может быть покрыт материалами, включая, например, соответственным образом защищенные сапфир, фтористый литий, фтористый кальций или фтористое стекло марки ZBLAN, содержащее составы таких материалов, для передачи и/или фильтрации некоторых представляющих интерес частот излучения.
При использовании растягивающее усилие, приложенное к кабелю или исполнительному устройству 1818, устраняют или ослабляют до желательного значения, чтобы обеспечить возможность протекания топлива мимо клапана 1850 и формирования полного устойчивого потока по меньшей мере для одной порции впрыснутого топлива, или впрысков топлива, которые получают импульс от подходящего акустического сигнала. Перемещение клапана 1850 во внешнем направлении под действием давления топлива и/или иной силы, которая может быть приложена к клапану, обеспечивает по меньшей мере один впрыск топлива за цикл камеры сгорания. Показанный на чертеже клапан согласно варианту реализации также содержит седло 1852, которое может содержать постоянный магнит и/или электромагнит. Клапан 1850 содержит контактную часть 1854, который расположена перед седлом 1852. Контактная часть 1854 клапана 1850 может быть ферромагнетиком или содержать постоянный магнит, который может отталкиваться полюсом постоянного магнита, расположенного в седле 1852 клапана, или полюсом, возбужденным действием электромагнита, расположенного в седле 1852, для желательного изменения частоты впрыска порций топлива и характера порций впрыснутого топлива.
Согласно некоторым вариантам реализации свойства и состояния камеры сгорания могут быть обнаружены и переданы датчиками, которые размещены в клапане 1850 и/или направляющем штифте 1856. Оптические, электрические и/или магнитные сигналы от направляющего штифта 1856 могут быть переданы соответствующими каналами или волокнами, проходящими в исполнительном устройстве 1818, посредством гибких субкабелей 1855 или передающей среды, такой как газ, жидкость, гель или эластичный материал, который при необходимости заполняет пространство, для передачи данных соответствующим преобразователям и/или беспроводным узлам. Это обеспечивает возможность отслеживания и определения параметров событий в камере сгорания с использованием фасеточной или другого типа соответствующей линзы 1853, размещенной в направляющем штифте 1856. Отслеженная информация может быть передана соответствующим образом посредством узла 156 оптического штифта, включая передачу через материал окна или кабели 1855 для передачи данных. Эта информация также может быть принята каналами 1855, проходящими в клапане 1850, через прорези 1858 или отверстие 1858, выполненные в первом устройстве для зажигания и регулирования потока или крышке 1880, которая расположена на сопловой части. На фиг. 30B показан вид спереди, показывающий первую крышку 1880a и соответствующие прорези 1858 и отверстие 1857, которые выполнены с возможностью протекания топлива с внешней стороны, а также обеспечения доступа в камеру сгорания для регистрации ее состояния и параметров. Соответствующие преобразователи, узлы беспроводной связи и/или световые или электрические подкабели, расположенные в исполнительном устройстве 1818, могут передавать эту информацию контроллеру, расположенному в форсунке, для управления адаптивным впрыском топлива и углом опережения зажигания.
На фиг. 30C показан вид спереди второго устройства для регулирования зажигания и расхода топлива, выполненного согласно варианту реализации изобретения. Вторая крышка 1880b содержит отверстие 1857, обеспечивающее доступ к направляющему штифту 1856. Вторая крышка 1880b дополнительно содержит прорези 1859. Крышки 1880a и 1880b, показанные на фиг. 30B и 30C, также могут быть использованы для зажигания. Например, устройство для зажигания может быть выбрано из устройств для калильного, каталитического, искрового, плазменного зажигания или для зажигания посредством высокоэнергетической плазмы, возбужденной в результате конденсаторного разряда, который выталкивает ионизированный воздух или ионизированную смесь воздуха и топлива, или ионизированное топливо из прорезей 1858, 1859, а также из кольцевой области 1862, образованной между выступом 1860 отверстия для доступа в головке двигателя и острым ободом 1857 (как показано на фиг. 30B) или острым ободом 1864 (как показано на фиг. 30C) соответствующих крышек.
На фиг. 31 показан разрез вида сбоку форсунки 1960, выполненной согласно другому варианту реализации изобретения. Форсунка 1960 содержит некоторые сохраняющие пространство средства. Например, форсунка 1960 содержит кабель или исполнительное устройство 1968, соединенное с редукционным клапаном 1950, который расположен в сопловой части форсунки 1960. Форсунка 1960 также содержит узел 1968 исполнительного устройства, который выполнен с возможностью перемещения кабеля 1968 для приведения в действие редукционного клапана 1950. В частности, узел 1959 исполнительного устройства также содержит исполнительные устройства 1962 (индивидуально идентифицированные как с первого по третье исполнительные устройства 1962a-1962c), которые выполнены с возможностью перемещения кабеля 1968. Несмотря на то, что на фиг. 31 показаны три исполнительные устройства 1962, согласно другим вариантам реализации форсунка 1960 может содержать одно исполнительное устройство 1962, два исполнительных устройства 1962, или больше трех исполнительных устройств 1962. Исполнительные устройства 1962 могут быть пьезоэлектрическими, электромеханическими, пневматическими, гидравлическими компонентами или другими компонентами, вырабатывающими соответствующее усилие другим способом.
Узел 1959 исполнительного устройства также содержит соединители 1958 (индивидуально идентифицированные как первый и второй соединители 1958a, 1958b), в рабочем положении соединенные с соответствующими исполнительными устройствами 1962 и с кабелем 1968 для осуществления толкающего, оттягивающего и/или толкающего и оттягивающего смещений кабеля 1968. Кабель 1968 может свободно скользить между соединителями 1958 в осевом направлении вдоль форсунки 1960. Согласно другому варианту выполнения узла 1959 исполнительного устройства первая концевая часть кабеля 1968 может проходить сквозь первый радиальный подшипник 1976, расположенный в основной части 1901 форсунки 1960. Первая концевая часть кабеля 1968 в рабочем положении также соединена с контроллером 1978 для передачи данных о сгорании в контроллер 1978 для обеспечения адаптивного управления процессами зажигания и впрыском топлива и оптимизации указанных процессов посредством контроллера. Вторая концевая часть кабеля 1968 проходит через радиальный подшипник 1970, расположенный в сопловой части 1902 форсунки 1960, для выравнивания кабеля 1968 с редукционным клапаном 1950.
При использовании исполнительные устройства 1962 перемещают кабель 1968 для натяжения или ослабления кабеля 268B для перемещения редукционного клапана 1950 на желательное расстояние. В частности, исполнительные устройства 1962 принуждают соединители перемещать кабель 1968 в направлении, которое в целом перпендикулярно продольной оси форсунки 1960.
В случаях, если желательно доставить относительно большие текущие порции плазмы к граничной поверхности камеры сгорания путем ионизации топлива, воздуха или смеси воздуха и топлива, форсунка 1960 также может содержать конденсатор 1974, расположенный в сопловой части 1902. Конденсатор 1974 может быть цилиндрическим и может содержать большое количество проводящих слоев, которое может быть обеспечено соответствующим выбором металла, или графеновых слоев, которые разделены подходящим изолятором, таким как представленные в Таблице 1, а также любым составом, таким как представленные в Таблице 2. Конденсатор 1974 может быть заряжен относительно слабым электрическим током, протекающим в первом изолированном кабеле 1980, который может быть соединен с соответствующим источником энергии. Затем конденсатор 1974 также может быть очень быстро разряжен с относительно большим электрическим током, протекающим во втором кабеле 1982, проходящим от конденсатора 1974 к проводящей трубке или металлизации 1984. Металлизация 1984 может иметь желательные острые края для облегчения зажигания и распространения плазмы как описано выше.
На фиг. 32 показан разрез вида сбоку форсунки 2060, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения, для быстрого и точного управления активацией редукционного клапана 2050. Показанная на чертеже форсунка 2060 содержит некоторые особенности, которые в целом подобны по структуре и функциям соответствующим особенностям других форсунок, описанных в настоящей заявке. Как показано на фиг. 32, форсунка 2060 содержит исполнительное устройство или кабель 2068, соединенный с редукционным клапаном 2050. Форсунка 2060 также содержит различные узлы 2070 исполнительных устройств (индивидуально идентифицированных как первый узел 2070a исполнительного устройства и второй узел 2070b исполнительного устройства) для перемещения кабеля 2068 в осевом направлении вдоль форсунки 2060 (например, в направлении первой стрелки 2067).
Первый узел 2070a (схематично показанный на чертеже) содержит вырабатывающий усилие элемент 2071, который входит в контакт с кабелем 2068. Вырабатывающий усилие элемент 2071 может быть пьезоэлектрическим, электромеханическим, пневматическим, гидравлическим компонентом или другим компонентом, вырабатывающим соответствующее усилие иным способом. При возбуждении или приведении в действие иным способом вырабатывающий усилие элемент 2071 перемещается в направлении, в целом перпендикулярном продольной оси форсунки 2060 (например, в направлении второй стрелки 2065). Соответственно, вырабатывающий усилие элемент 2071 перемещает по меньшей мере часть кабеля 2068 и тем самым натягивает его. Если вырабатывающий усилие элемент 2071 не возбужден или не приводится в действие, на кабель 2068 не действует растягивающее усилие. Соответственно, первый узел 2070a исполнительного устройства может обеспечивать очень быстрые и точные порции 2003 впрыска топлива редукционным клапаном 2050.
Второй узел 2070b исполнительного устройства (схематично показан на чертеже) содержит зубчатую рейку и шестеренчатую конструкцию для перемещения кабеля 2068 в осевом направлении в форсунке 2060. В частности, второй узел 2070b содержит зубчатую рейку или втулку 2072, соединенную с кабелем 2068. Соответствующая шестерня или зубчатая передача 2074 взаимодействует с втулкой 2072. При использовании второй узел исполнительного устройства 2070b преобразует вращательное перемещение редуктора 2074 в прямолинейное перемещение втулки 2072 и, следовательно, кабеля. Кроме того, второй узел 2070b также может обеспечивать очень быстрые и точные порции впрыски 2003 топлива, испускаемые редукционным клапаном 2050.
На фиг. 33A показан разрез вида сбоку и на фиг. 33B показан вид слева открытого наружу редукционного клапана 2150, выполненного согласно другому варианту реализации изобретения. На фиг. 34A показан разрез вида сбоку, на фиг. 34B показан вид слева, и на фиг. 34C показан вид справа седла 2270 клапана, выполненного согласно варианту реализации изобретения. Как показано на фиг. 33A-34C, редукционный клапан 2150 выполнен с возможностью управления потоком топлива у граничной поверхности камеры сгорания, и седло 2270 клапана выполнено с возможностью выравнивания клапана 2150 в форсунке. В показанном на чертеже варианте реализации клапан 2150 содержит удлиненную первую концевую часть 2153, противоположную оснащенной фланцем второй концевой части 2152. Первая концевая часть 2153 содержит полость 2156, которая может быть соединена с кабелем или исполнительным устройством, как подробно описано выше. Вторая концевая часть 2152 содержит первую контактную поверхность 2154.
Седло 2270 клапана содержит первую концевую часть 2273, противоположную второй концевой части 2271. Первая концевая часть 2273 содержит многочисленные каналы или проходы 2276, выполненные с обеспечением возможности протекания топлива и/или прохода измерительного средства через седло 2270. Каналы соединяются в один канал или отверстие 2272, выполненное во второй концевой части 2271 седла 2270. Вторая концевая часть 2271 также содержит вторую контактную поверхность 2274. Седло 2270 выполнено с возможностью по меньшей мере частичного приема первой концевой части 2153. В частности, центральный канал или проход 2276 могут принимать первую концевую часть 2153 клапана 2150. Если клапан 2250 приведен в закрытое положение в седле 2270, первая контактная поверхность 2154 клапана 2150 входит в контакт или взаимодействует с второй контактной поверхностью 2274 седла 2270, и тем самым предотвращено протекание топлива между ними. Согласно некоторым вариантам реализации поверхности клапана 2150 и/или седла 2270 могут быть выполнены с возможностью воздействия на топливо, протекающее мимо этих поверхностей. Например, эти компоненты могут содержать острые края, которые способствуют быстрой газификации топлива, как описано выше. Кроме того, эти компоненты могут иметь поверхности, снабженные канавками или рельефами, воздействующими на поток топлива, такими как спиральные канавки, например, для образования завихрений впрыснутого топлива. Несмотря на то, что в вариантах реализации на фиг. 34A-34C показана одна конструкция редукционного клапана и соответствующего седла 2270, специалисту понятно, что другие клапаны и седла могут иметь другие конструкции и особенности.
На фиг. 35A показан разрез вида сбоку форсунки 2300, выполненной согласно другому варианту реализации изобретения. Форсунка 2300 содержит некоторые особенности, которые в целом подобны по структуре и функциям соответствующим особенностям форсунок, описанных выше. Например, форсунка 2300 содержит среднюю часть 2304, проходящую между основной частью 2302 и сопловой частью 2306. Сопловая часть 2306 проходит сквозь головку 2303 двигателя к камере 2301 сгорания. Форсунка 2300 также содержит диэлектрический изолятор 2340.
Согласно одной особенности показанного на чертеже варианта реализации диэлектрический изолятор 2340 содержит по меньшей мере две части, имеющие различную электрическую прочность. Например, изолятор 2340 может содержать первую диэлектрическую часть 2342, расположенную в целом в средней части 2304 форсунки 2300, и вторую диэлектрическую часть 2344, расположенную в сопловой части 2306 форсунки 2300. Согласно некоторым вариантам реализации вторая диэлектрическая часть 2344 может иметь более высокую электрическую прочность чем первая диэлектрическая часть 2342 и выдерживать жесткие условия сгорания в сопловой части 2306, расположенной рядом с камерой 2301 сгорания (например, высокие давление, тепловую и механическую ударные нагрузки, образование нагара, и т.п.), и препятствовать ухудшению характеристик изолятора 2340. Согласно некоторым из вариантов реализации эти диэлектрические части могут быть выполнены из различных материалов. Однако согласно другим вариантам реализации вторая диэлектрическая часть 2344 может быть выполнена из того же материала, что и первая диэлектрическая часть 2342, однако вторая диэлектрическая часть 2344 может быть уплотнена или обработана иным способом для увеличения ее электрической прочности (например, компрессионным нагружением ее наружных поверхностей, как описано выше). Первая и вторая диэлектрические части 2342, 2344 могут быть выполнены из любого из диэлектрических материалов и/или с использованием процессов, описанных выше, включая, например, материалы, перечисленные в Таблице 1.
Согласно другому аспекту показанного на чертеже варианта реализации вторая диэлектрическая часть 2344 не проходит вдоль сопловой части 2306 полностью к граничной поверхности камеры 2301 сгорания. Соответственно, сопловая часть 2306 содержит воздушный зазор 2370 между блоком 2303 двигателя и проводящей частью 2338 форсунки 2300, которая передает напряжение сопловой части 2306 для зажигания. Этот промежуток 2370 в сопловой части 2306 обеспечивает пространство для емкостного разряда, в результате которого вырабатывается плазма, выходящая из сопловой части 2306. Такой разряд также может очищать или по меньшей мере частично предотвращать осаждение примеси (например, нефти) на второй диэлектрической части 2344 и таким образом устранять трекинг или иное ухудшение характеристик изолятора 2340.
Согласно еще одной особенности показанного на чертеже варианта реализации форсунка 2300 может дополнительно содержать второй затворный клапан 2330 и седло 2332 затворного клапана, расположенные в основной части 2302 форсунки 2300. Согласно некоторым вариантам реализации затворный клапан 2330 и седло 2332 затворного клапана могут содержать магнитные части (например, постоянные магниты), которые притягиваются друг к другу. При использовании усилие, приложенное к затворному клапану 2330 (например, электромагнитное или другое соответствующее усилие, которое преодолевает силу притяжения к седлу 2332), перемещает затворный клапан 2330 в направлении от седла 2332 для обеспечения возможности протекания топлива сквозь форсунку 2300. Поскольку затворный клапан 2330 остается в закрытом положении, если к нему не приложено усилие, в случае потери питания затворный клапан 2330 препятствует протеканию или просачиванию топлива в форсунку 2330.
На фиг. 35B показан вид спереди, показывающий вариант реализации редукционного клапана 2350, расположенного в сопловой части 2306 форсунки 2300, показанной на фиг. 35A. Как показано на фиг. 35B, клапан 2350 может содержать многочисленные прорези 2358 и/или отверстие 2357, обеспечивающие таким образом возможность протекания топлива и/или воздействия на протекание топлива. Эти прорези 2358 и отверстие 2357 также могут обеспечивать возможность распознавания через клапан 2350 свойств и состояния камеры сгорания посредством форсунки 2300. Кроме того, клапан 2350 может быть выполнен по меньшей мере частично из прозрачного материала, такого как кварц или сапфир, для обеспечения отслеживания свойств и состояний камеры сгорания.
На фиг. 36A показан разрез частичного вида сбоку сопловой части 2402 форсунки 2400, выполненной согласно еще одному варианту реализации изобретения. В показанном на чертеже варианте реализации форсунка 2400 содержит соединитель 2442, который соединяет кабель или исполнительное устройство 2440 с первым редукционным клапаном 2450. Первый клапан 2450 представляет собой открывающийся внутрь редукционный клапан, который в закрытом положении опирается на седло 2452. Сопловая часть 2402 также содержит второй затворный клапан 2460, который в закрытом положении опирается на седло 2452. Кроме того, сопловая часть содержит промежуточный объем 2456 между закрытыми первым и вторым клапанами 2450, 2460. Сопловая часть 2402 также содержит устройство для регулирования зажигания и протекания топлива или крышку 2470. Согласно некоторым вариантам реализации сопловая часть 2402 также может содержать по меньшей мере один смещающий компонент, выполненный с возможностью управления клапанным устройством для впрыска топлива. Эти смещающие компоненты могут содержать, например, пружины, такие как механические пружины, и/или магниты, включая постоянные магниты. В частности, первый клапан может содержать первую магнитную часть 2451, и второй клапан 2460 может содержать вторую магнитную часть 2463, каждая из которых притягивается или смещаются в направлении к соответствующей третьей магнитной части 2454 седла 2452. Кроме того, крышка 2470 также может содержать четвертую магнитную часть 2472, которая, однако, проходит или иным образом смещена в направлении от седла 2460 клапана. Например, седло 2460 клапана может содержать пятую магнитную часть 2462, которая смещена в направлении от четвертой магнитной части 2472 крышки 2470. Соответственно, эти смещающие части могут способствовать удерживанию клапанов в их закрытом положении. Эти смещающие части могут дополнительно улучшать активацию клапана по меньшей мере частично путем приложения упругой силы для ускоренного возвращения этих клапанов в их закрытое положение. Компоненты показанной на чертеже сопловой части (например, исполнительное устройство 2440, первый клапан 2450, седло 2452 клапана, второй клапан 2460 и/или крышка 2470) могут содержать различные датчики и/или измерительные средства для отслеживания и передачи состояний и/или свойств камеры сгорания.
При использовании перемещение исполнительного устройства 2440 в направлении, указанном стрелкой 2439, вызывает перемещение первого клапана 2450 в направлении от седла 2452 и тем самым открывает первый клапан 2450. Открывание первого клапана 2450 обеспечивает возможность протекания топлива вдоль первого пути 2444a с последующим входом топлива в промежуточный объем 2456. При входе топлива в промежуточный объем 2456 давление, созданное топливом, открывает второй затворный клапан 2460, так что топливо может выйти из промежуточного объема 2456 вдоль второго пути 2444b. Затем топливо может протекать мимо крышки 2470 для впрыска в камеру сгорания. При возврате исполнительного устройства 2440 в его основное положение первый клапан 2450 закрывается сближением с седлом 2452 и останавливает поток топлива. При снижении давления в промежуточном объеме 2456 второй клапан 2460 закрывается сближением с седлом 2452 и таким образом предотвращает подтекание топлива из сопловой части 2402. Соответственно, быстрая активация исполнительного устройства 2440 обеспечивает точное дозирование порций топлива из сопловой части 2402.
На фиг. 36B показан вид спереди форсунки, показанной на фиг. 36A, иллюстрирующий устройство для регулирования зажигания и расхода топлива или крышку 2470, выполненную согласно варианту реализации изобретения. Показанная на чертеже крышка 2470 содержит прорези 2474 для протекания топлива и мониторинга камеры сгорания, как подробно описано выше. Кроме того, крышка 2474 может содержать многочисленные расположенные по окружности зажигающие части 2476, которые вместе с головкой двигателя облегчают воспламенение.
На фиг. 37 схематически показан разрез вида сбоку системы 2500, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения. Показанная на чертеже система 2500 согласно варианту реализации содержит встроенную топливную форсунку/запальную свечу 2502 (например, форсунку согласно любому из вариантов реализации настоящего изобретения), камеру сгорания 2506, по меньшей мере один недросселируемый воздушный редукционный клапан 2510 (индивидуально идентифицированные как первый клапан 2510a и второй клапан 2510b), и передающее энергию устройство или поршень 2504. Как описано выше, форсунка 2502 выполнена с возможностью впрыскивания послойно расположенного или стратифицированного заряда топлива 2520 в камеру 2506 сгорания. Согласно одному аспекту показанного на чертеже варианта реализации система 2500 выполнена с возможностью впрыскивания и воспламенения топлива 2520 в обогащенный или присутствующий в избыточном количестве окислитель 2530, например, такой как воздух. В частности, система 2500 выполнена таким образом, что клапаны 2510 до акта сгорания поддерживают в камере 2506 сгорания давление окружающей атмосферы или даже выше атмосферного. Например, система 2500 может работать без дросселирования или препятствования иным способом протеканию воздуха в камеру сгорания, так что вакуум в камере 2506 сгорания не создается до акта воспламенения топлива 2520. Благодаря давлению, которое равно давлению окружающей среды или выше него, в камере 2506 сгорания, избыточный окислитель формирует изолирующий барьер 2530 рядом с поверхностью камеры сгорания (например, стенкой цилиндра, поршнем, головкой двигателя, и т.п.).
При использовании форсунка 2502 впрыскивает послойно расположенное или стратифицированное топливо 2520 в камеру 2506 сгорания, содержащую избыточный окислитель. Согласно некоторым вариантам реализации, впрыск может происходить при положении поршня 2504 в верхней мертвой точке и после нее. Однако согласно другим вариантам реализации форсунка 2502 может впрыскивать топливо 2520 перед тем, как поршень 2504 достигнет положения верхней мертвой точки. Поскольку форсунка 2502 выполнена с возможностью адаптивного впрыскивания послойно расположенного заряда 2520, как описано выше (например, быстрого впрыскивания многослойных порций между актами зажигания с быстрой газификацией топлива, плазменного распространяющегося топлива, переохлаждения, и т.п.), топливо 2520 быстро воспламеняется и полностью сгорает в присутствии изолирующего барьера 2530, сформированного из окислителя. Как таковой, изолирующий барьер 2530 экранирует стенки камеры 2506 сгорания от тепла, которое испускается топливом 2520 при его воспламенении, и таким образом устраняет тепловые потери на стенках камеры 2506 сгорания. В результате тепло, освобожденное при быстром сгорании топлива 2520, преобразуется в работу и управляет поршнем 2504, вместо передачи в качестве потерь к поверхностям камеры сгорания. Кроме того, в вариантах реализации, в которых форсунка 2502 впрыскивает и/или воспламеняет топливо после того, как поршень 2504 проходит верхнюю мертвую точку, вся энергия, освобожденная при быстром сгорании топлива 2520, преобразуется в работу и управляет поршнем 2504 без потерь на обратную работу, поскольку поршень уже расположен в верхней мертвой точке или за ней. Однако согласно другим вариантам реализации форсунка 2520 может впрыскивать топливо до того, как поршень 2504 достигнет верхней мертвой точки.
На фиг. 38A показан разрез вида сбоку форсунки 3800, выполненной в соответствии еще с одним вариантом реализации изобретения. Форсунка 3800 содержит некоторые особенности, которые в целом подобны по структуре и функциям соответствующим особенностям форсунок, описанных выше со ссылкой на фиг. 1-37. Например, форсунка 3800 содержит первую или основную часть 3802, противоположную второй или сопловой части 3804. Форсунка 3800 также содержит втулку или корпус 3808, проходящий между основной частью 3802 и сопловой частью 3804. Корпус 3808 окружает диэлектрическую часть или диэлектрический изолятор 3810 корпуса, проходящий вдоль форсунки 3800. Дополнительные подробности относительно материалов и/или формирования изолятора 3810 подробно описаны ниже. Изолятор 3810 содержит проходящее в продольном направлении электропроводящее отверстие 3812, продольная ось которого совпадает с продольной осью изолятора. Проводящее отверстие 3812 выполнено с обеспечением возможности прохода электрода или электрического проводника 3814 через форсунку 3800 от сопловой части 3804 к основной части 3802. Например, проводник 3814 может быть соединен с источником энергии, таким как источник напряжения, для обеспечения энергией зажигания по меньшей мере один электрод или зажигающий элемент 3816, расположенный в наконечнике сопла сопловой части 3804. Проводник 3814 также может содержать по меньшей мере одно оптическое волокно или средство 3818 для отслеживания, проходящее вдоль него. Оптическое средство 3818 для отслеживания выполнено с возможностью обнаружения или распознавания иным способом свойств камеры сгорания и передачи данных, относящиеся к этим свойствам, контроллеру или процессору.
Основная часть 3802 также содержит диэлектрический изолятор 3807, который выполнен с возможностью выдерживать высокое напряжение, переданное в основную часть 3802 через проводник 3814. Например, изолятор 3807 основной части может диэлектрически изолировать приемник 3809, расположенный в основной части 3802, в который может быть принят проводник 3814. Изолятор 3807 основной части может быть дополнительно герметично соединен с ферромагнитным корпусом или кожухом 3820 генератора усилия штамповкой, твердой пайкой, мягкой пайкой или адгезивом, таким как эпоксидная смола, или любым другим подходящим уплотняющим способом или составом. В случаях, если соединение твердой пайкой или мягкой пайкой изолятора 3807 основной части с корпусом 3820 генератора усилия должно быть сделано в контактной области 3813, указанная контактная область 3813 может быть металлизирована маскированными или локализованными иным способом продуктами водородного восстановления из оксида меди и/или оксида серебра. Согласно другому варианту реализации изобретения контактная область 3813 может быть плакирована с использованием других подходящих способов, включая, например, металлизацию или осаждение из паровой фазы.
Согласно дополнительным особенностям показанного на чертеже варианта реализации основная часть 3802 содержит генератор 3806 усилия (например, соответствующий пневматический, гидравлический, электромагнитный соленоидный, пьезоэлектрический компонент, и т.п.), расположенный в кожухе 3820. Кожух 3820 имеет входное отверстие 3822, соединенное с топливным штуцером 3826, для приема топлива от источника топлива. Кожух 3820 также содержит выходное отверстие 3824, обеспечивающее возможность выхода топлива из кожуха 3820 через клапанный узел 3828, который подробно показан на фиг. 38B.
[00340] В частности, на фиг. 38B показан увеличенный подробный вид клапанного узла 3828 форсунки 3800. Как показано на фиг. 38A и 38B, выходное отверстие 3824 для топлива в генераторе усилия обеспечивает возможность выхода топлива из кожуха 3820 генератора усилия в полость 3830 клапана. Полость 3830 клапана охватывает редукционный клапан 3832, такой как ферромагнитный клапан, который выполнен с возможностью перемещения в ответ на усилие, выработанное генератором 3806 усилия. Клапан 3832 также содержит по меньшей мере один проходящий через него топливный канал 3834. Топливный канал 3834 выполнен с обеспечением возможности протекания топлива через клапан 3832 и выхода из полости 3830 клапана через выходной топливопровод 3836. В показанном на чертеже варианте реализации топливный канал 3834 проходит через клапан 3832 под наклонным углом относительно продольной оси форсунки 3800, который по меньшей мере примерно равен наклонному углу выходного топливопровода относительно продольной оси форсунки 3800. Однако согласно другим вариантам реализации топливный канал 3834 и выходной топливопровод 3836 могут проходить под другими углами относительно продольной оси форсунки. Выходной топливопровод 3836 дополнительно соединен по меньшей мере с одним топливным каналом 3840, проходящим в изоляторе 3810 между корпусом 3808 и изолятором 3810. Дополнительные особенности топливных каналов 3840, проходящих в изоляторе, подробно описаны ниже.
Согласно другой особенности показанного на чертеже варианта реализации клапанный узел 3828 также содержит притягивающий элемент 3838 (например, магнит, постоянный магнит, и т.п.), который притягивает или иным способом смещает клапан 3832 в направлении к исходному или закрытому положению. Клапанный узел 3832 также может дополнительно содержать смещающий элемент 3839 (например, пружину, спиральную пружину сжатия, и т.п., схематично показанную на фиг. 38B), который перемещает клапан 3832 в закрытое положение.
При использовании клапанного узла 3828 генератор 3806 усилия вырабатывает усилие для быстрого и неоднократного перемещения клапана 3832 между закрытым положением и вторым или открытым положением. В показанном на чертеже варианте реализации, например, клапан 3832 показан в закрытом положении, так что клапан 3832 препятствует выходу топлива из топливной полости 3830 через выходной топливопровод 3836. При открывании клапана 3832 перемещением в направлении к основной части 3802 топливо, имеющееся в топливной полости 3830, может протекать вокруг клапана 3832 или сквозь клапан 3832 по топливному каналу 3834 клапана. После прохождения через топливный канал 3834 клапана топливо может выйти из топливной полости 3830 через выходной топливопровод 3836 для передачи к сопловой части 3804 по топливным каналам 3840 изолятора.
В случаях применения, в которых узел соленоидного генератора 3806 усилия используются для приведения в действие (например, иным способом, кроме пьезоэлектрического, пневматического, гидравлического или механического) клапана 3832, расположенного в основной части 3802, соленоидный генератор 3806 усилия может обеспечивать чрезвычайно быструю работу ферромагнитного клапана 3832 путем приложения к изолированным обмоткам постоянного напряжения 24-240 В. Это используется для развития исключительно сильного электрического тока и усилия активации клапана в течение краткого периода времени, составляющего примерно от 3% до 21% рабочего цикла в зависимости от режима работы, и таким образом обеспечения охлаждения компонентов генератора 3806 усилия в результате передачи тепла топливу, которое проходит сквозь генератор 3806 усилия.
Как показано на фиг. 38A, топливные каналы 3840 в изоляторе проходят в форсунке 3800 вдоль внешней поверхности изолятора 3810. Соответственно, топливные каналы изолятора облегчают протекание топлива через форсунку 3800 между изолятором 3810 и корпусом 3808. Форсунка 3800 также содержит деформируемый или эластомерный золотниковый клапан 3842, расположенный у сопловой части 3804. В частности, золотниковый клапан 3842 коаксиально расположен на изоляторе 3810 между изолятором 3810 и корпусом 3808. В сопловой части 3804 корпус 3808 проходит до уплотнения 3844 (например, кольцевого или подобное уплотнения) в отверстии камеры сгорания. Однако золотниковый клапан 3842 проходит за пределы уплотнения 3844 к камере сгорания. Как подробно описано ниже, эластомерный золотниковый клапан 3842 действует в качестве деформируемого удлиненного клапана, который обеспечивает возможность выхода топлива из сопловой части 3804 в ответ на достаточное гидравлическое давление или перепад давления в форсунке 3800. Например, топливные каналы 3840 изолятора сужаются или уменьшаются иным способом вдоль изолятора 3810 с их приближением к сопловой части 3804. Топливные каналы 3840 изолятора соответственно доставляют топливо в сопловую часть 3804, однако золотниковый клапан 3842 герметично взаимодействует с изолятором 3810 и тем самым предотвращает впрыск топлива до тех пор, пока в клапанном узле 3828 не образуется достаточный перепад давления технологически выше золотникового клапана 3842 по меньшей мере для частичной деформации золотникового клапана 3842 и образования кольцевого отверстия вокруг изолятора 3810 для впрыскивания топлива. Как таковая, форсунка 3800, а также некоторые другие описанные в настоящей заявке форсунки, обеспечивают преимущество, которое состоит в использовании по меньшей мере двух средств для управления расходом топлива. Например, в показанном на чертеже варианте реализации клапанный узел 3828 обеспечивает первичное или исходное регулирование расхода топлива, которое реагирует на приложенное для приведения в действие усилие, в то время как золотниковый клапан 3842 обеспечивает вторичное регулирование расхода топлива, которое реагирует на давление (например, гидравлическое) топлива в форсунке 3800.
Согласно некоторым вариантам реализации золотниковый клапан 3842 может быть выполнен из подходящего прочного полимера, такого как полиамидоимид (материал Torlon) или термореактивный композит с материалом Kapton, стекловолокном, и/или армированное графитовое волокно. Согласно другим вариантам реализации золотниковый клапан 3842 может быть металлическим и выполненным из алюминия, титана, легированной стали или другого подходящего металлического материала. Кроме того, уплотнение отверстия 3844 может быть осуществлено с использованием эластичных материалов, таких как фтор-каучук (FKM), вайтон и/или фторкремниевого эластомера, для уплотнения корпуса 3808 в сопловой части 3804 против газов, образованных в камере сгорания, и/или против смазки двигателя.
На фиг. 38C-38E показана последовательность разрезов вида сбоку форсунки 3800 в различных положениях вдоль изолятора 3810. В частности, на фиг. 38C показан разрез вида сбоку форсунки 3800 по существу вдоль линии 38C-38C, показанной на фиг. 38A. Как показано на фиг. 38C, в этом положении вдоль изолятора 3810 рядом с основной частью 3802 топливные каналы 3840 изолятора выполнены достаточно большими относительно изолятора 3810. Например, топливные каналы 3840 формируют в целом вогнутую поверхность или выполненные с наклоном углубления во внешней поверхности изолятора 3810, расположенной рядом с внутренней поверхностью корпуса 3808. Однако согласно другим вариантам реализации топливные каналы 3840 изолятора могут иметь другие профили или формы поперечного сечения, включая, например, изогнутые, прямолинейные и/или иные формы. Несмотря на то, что показанный на чертеже вариант реализации содержит шесть топливных каналов 3840, согласно другим вариантам реализации изолятор 3810 может содержать больше или меньше шести топливных каналов 3840. Согласно другой особенности показанного на чертеже варианта реализации проводник 3814 проходит через проводящее отверстие 3812 в изоляторе 3810. Кроме того, в проводнике 3814 проходят оптические волокна или средства 3818 для отслеживания.
На фиг. 38D показан разрез вида сбоку по существу вдоль линии 38D-38D, показанной на фиг. 38A. В этом в целом среднем положении вдоль изолятора 3810 топливные каналы 3840 изолятора являются суженными или имеют коническую форму и образуют относительно уменьшенные углубления или каналы между изолятором 3810 и расположенной рядом внутренней поверхностью корпуса 3808. Например, по сравнению с размером отдельных топливных каналов 3840, показанных на фиг. 38C, показанные на фиг. 38D отдельные каналы 3840 являются уменьшенными и расположены на расстоянии друг от друга.
На фиг. 38E показан разрез вида сбоку по существу вдоль линии 3E-3E, показанной на фиг. 38A, сопловой части 3804 форсунки 3800. В этом положении вдоль изолятора 3810 топливные каналы отсутствуют совсем или значительно уменьшены или сужены по сравнению с другими положениями вдоль изолятора 3810, расположенными ближе к основной части 3802. Кроме того, в этом положении вдоль изолятора 3810 эластомерная втулка 3842 коаксиально расположена и уплотнена вокруг изолятора (например, между изолятором 3810 и корпусом 3808). Соответственно, как показано на фиг. 38A, каналы 3840 являются суженными или уменьшенными при прохождении вдоль изолятора 3810 к сопловой части 3804. В сопловой части 3804 рядом с камерой сгорания эластомерный золотниковый клапан 3842 является нормально закрытым и уплотнен вокруг изолятора 3810.
При использовании топливо протекает по топливным каналам 3840 изолятора от клапанного узла 3828, расположенного в основной части 3802. Давление топлива в топливных каналах 3840 растягивает или деформирует золотниковый клапан 3842, расположенный в сопловой части 3804, и таким образом формирует кольцевое отверстие вокруг изолятора 3810 для впрыскивания топлива в камеру сгорания. После акта впрыскивания топлива давление в каналах 3840 снижается, в результате чего обеспечивается возможность возврата золотникового клапана 3842 в нормально закрытое или герметичное положение сближением с цилиндрической частью изолятора 3810.
Согласно некоторым вариантам реализации изобретения диэлектрический изолятор корпуса обеспечивает электрическую прочность более 80000 В постоянного напряжения с частотой несколько мегагерц в секциях, размер которых составляет меньше 1,8 мм (0,071 дюйма), между электрическим проводником 3814 на внешней поверхности изолятора 3810. В случаях, если для возбуждения ионные электрических токов или ионных колебаний между электродами, которыми являются зажигающие элементы 3816 и отверстие в головке двигателя, используется высокочастотное напряжение, внешняя поверхность электрода 3814 может быть покрыта проводящим слоем меди или серебра. Проводящий слой также может быть усилен дополнительной металлизацией, обеспечивающей увеличенную высокочастотную проводимость. Однако согласно другим вариантам реализации поверх средств 3818 для отслеживания (например, оптических волокон), расположенных в сердечнике проводника 3814, для снижения резистивных потерь может быть размещен многожильный высокочастотный обмоточный провод.
Изолятор 3810 корпуса и/или изолятор 3807 основной части могут быть выполнены из такого материала, как стекло, имеющее примерно следующий процентный состав по весу согласно Формуле 1. Это могут быть диэлектрические изолирующие материалы, измельченные в шаровой мельнице и расплавленные в подходящем плавильном тигле, покрытом платиной, кремнием, оксидом магния или оксидом алюминия, и затем отформованные под давлением, отштампованные, выпрессованные или отлитые в форму, подходящие для повторного нагревания и литья в виде частей с заданными формой и размерами. Формула 1 может содержать, например: SiO2 в количестве 24-48%; MgO в количестве 12-28%; Al2O3 в количестве 9-20%; Cr2O3 в количестве 0,5-6,5%; F в количестве 1-9%; BaO в количестве 0-14%; CuO в количестве 0-5%; SrO в количестве 0-11%; Ag2O в количестве 0-3,5%; NiO в количестве 0-1,5%; и B2O3 в количестве 0-9%. Согласно другому варианту реализации в Формуле 2 может использоваться дополнительный соответствующий процентный состав по весу, когда материал расплавляют при температуре по меньшей мере между примерно 1350°C и 1550°C в покрытом платиной, оксидом алюминия, оксидом магния или кремнием плавильном тигле. Формула 2, например, может содержать: SiO2 в количестве 31%; MgO в количестве 22%; Al2O3 в количестве 17%; Cr2O3 в количестве 2,2%; F в количестве 4,5%; BaO в количестве 13%; CuO в количестве 0,4%; SrO в количестве 9,5%; Ag2O в количестве 0,3%; и NiO в количестве 0,1%.
Трубчатые профили этих изолирующих материалов могут быть экструдированы из расплавленного материала или охлажденного материала, который был подвергнут горячему формованию при температурах между примерно 1050°C и 1200°C. Затем литьевые массы, обеспечивающие объем, необходимый для горячего прессования выдавливанием в форме трубки или в другой форме, или для штампования частей в форме и с размерами, близкими к заданным, могут быть медленно охлаждены. Такие объемные массы могут быть нагреты для горячего формования до соответствующей температуры, такой как между примерно 1050°C и 1250°C, и отформованы выдавливанием в желательной форме с необходимыми размерами с использованием соответствующих штампов из огнеупорного материала, такого как платина, молибден или графит. Экструдированный профиль может быть покрыт по меньшей мере одним подходящим кристаллизатором, образующим центры кристаллизации, таким как нитрид бора, B2O3, AlF3, бор, AlB2, AlB12 или алюмонитрид, для изготовления большего количества малых кристаллов в результирующих поверхностных областях в отличие от центральных областей, чтобы таким образом уменьшить объемный коэффициент упаковки и обеспечить компрессионные напряжения в поверхностных областях и растягивающее напряжение в центральных областях. Кроме того, дополнительно усовершенствование таких компрессионных напряжений в случае необходимости может быть достигнуто удлинением кристаллов в наружных слоях за счет деформации и вытягивания во время прессования, поскольку при этом изделию придают форму с меньшим сечением. Согласно другим вариантам реализации более сложные конфигурации и формы могут быть достигнуты литьем под давлением или формованием в пресс-форме из жаропрочного сплава или графита, покрытой подходящим кристаллизатором, образующим центры кристаллизации, таким как B2O3 или нитрид бора, например, для формирования подобных компрессионных напряжений в подповерхностных областях.
В обычных случаях применения для механизированного изготовления изолирующих материалов используют необходимые сочетания химических формул и способов термообработки. Однако согласно настоящему изобретению предложен противоположный способ. Например, варианты реализации согласно настоящему изобретению в конечном счете обеспечивают изготовление изделий, которые не подходят для машинной обработки, поскольку их поверхностные области отличаются высокой твердостью и характеризуются компрессионными напряжениями, которые уравновешиваются растягивающим напряжением в центральных областях между областями с компрессионным напряжением или рядом с ними. Предложенные варианты реализации соответствующим образом преодолевают проблемы, присущие изготовленному материалу, путем выборочного ухудшения свойств материала в областях, в которых резцы прикладывают механическое напряжение, для обеспечения улучшенного трещинообразования и повышения технологичности. Несмотря на то, что такое характерное трещинообразование обеспечивает возможность повышения технологичности, оно также по своей природе обеспечивает возможность неблагоприятного проникновения в изолирующий материал через такие трещины нежелательных веществ, таких как органические соединения, включая машинную смазку, поверхностно-активные вещества, присутствующий на руках жир, отпотевание, и т.п. Такой органический материал в конечном счете имеет тенденцию к дегидрации или иными способами становится донором углерода, который впоследствии образует в изолирующем материале электрически проводящие каналы, такие как различные электролиты, которые проникают в такие трещины, и может поставить под угрозу электрическую прочность керамического изделия, прошедшего машинную обработку, и таким образом в конечном счете приводит к неспособности изолятора выдерживать высокое напряжение.
Согласно еще одному варианту реализации изобретения для формирования изолятора 3810 корпуса и/или изолятора 3807 основной части может использоваться другой соответствующий процентный состав по весу, указанный в Формуле 3. Например, Формула 3 может содержать следующие вещества в примерном процентном количестве по весу: SiO2 в количестве 30%; MgO в количестве 22%; Al2O3 в количестве 18%; Cr2O3 в количестве 3,2%; F в количестве 4,3%; BaO в количестве 12%; SrO в количестве 3,6%; CuO в количестве 4,9%; Ag2O в количестве 1,3%; и NiO в количестве 0,1%. Согласно одному варианту реализации, трубка изолятора после формирования выдавливанием охлаждается до примерно 650°C водородом, проходящим через отверстие, в результате чего уменьшается расход оксида меди и/или оксида серебра для изготовления металлизированной медью и/или сплавом серебра и меди поверхности. После достижения соответствующей толщины проводящего металла внешняя поверхность трубки может быть нагрета теплом из подходящего источника, такого как излучение нагретой индукционно трубки или окислительным пламенем, таким как избыточное пламя кислородно-водородной горелки, и затем к поверхности могут быть применены подходящие кристаллизатор и/или реагент для окончательной отделки для формирования компрессионных напряжений, которые уравновешиваются растягивающими усилиями в области внутренней части трубки изолятора.
В вариантах реализации, содержащих генератор 3806 усилия с соленоидной обмоткой, соответствующая изоляция медной проволоки для магнита для таких случаев применения может содержать полиимидный лак и алюминиевую металлизацию, нанесенную на медную проволоку. Алюминиевая металлизация может быть окислена или частично окислена для формирования оксид алюминия. Такая алюминиевая металлизация и окисление также могут быть использованы в сочетании с полиимидной или полиамидоимидной, и/или париленовой изоляционными пленками. Ферромагнитные компоненты основной части 3802 могут соответствующим образом направлять магнитный поток, возбужденный обмоткой в генераторе 3806 усилия, через ферромагнитный клапан 3832 для обеспечения ускоренного срабатывания клапана 3832.
На фиг. 38F показан разрез вида сбоку варианта выполнения генератора 3806 усилия по существу вдоль линии 38F-38F, показанной на фиг. 38A, выполненного согласно другому варианту реализации изобретения. В варианте реализации, показанном на фиг. 38F, генератор 3806 усилия содержит многочисленные отдельные генераторы усилия или клапанные исполнительные устройства 3850 (схематично показанные и индивидуально идентифицированные как с первого по четвертое клапанные исполнительные устройства 3850a-3850d). Каждое из исполнительных устройств 3850 выполнено с возможностью выборочного приведения в действие соответствующего клапана в клапанном узле 3828, такого как клапан 3832. Соответственно, в варианте реализации, содержащем генератор 3806 усилия, показанный на фиг. 38F, с четырьмя клапанными исполнительными устройствами 3850, клапанный узел может содержать четыре соответствующих редукционных клапана. В показанном на чертеже варианте реализации генератор 3806 усилия также содержит область для протекания топлива или область 3852, окружающую каждый из клапанных исполнительных устройств 3850. Область 3852 выполнена с обеспечением возможности протекания топлива мимо каждого из исполнительных устройств 3850 и таким образом по меньшей мере частично для охлаждения исполнительных устройств 3850. Такая конструкция обеспечивает преимущество, состоящее в относительно большой удельной охлаждающей поверхности генератора 3806 усилия.
Согласно некоторым вариантам реализации клапанные исполнительные устройства 3850 могут быть выполнены с возможностью открывания одновременно, в различные моменты времени или по отдельности. Например, одиночное исполнительное устройство 3850 может использоваться для обеспечения возможности протекания топлива для первого режима работы двигателя, такого как режим холостого хода или с пониженной мощностью, два исполнительных устройства 3850 могут использоваться одновременно для второго режима работы двигателя, такого как режим круиз-контроля или с умеренной мощностью, и три, четыре или больше исполнительных устройств 3850 могут использоваться одновременно для третьего режима работы двигателя, такого как ускорение или работа с полной мощностью.
Различные особенности форсунки 3800 и соответствующие компоненты, описанные выше со ссылкой на фиг. 38A-38F, обеспечивают некоторые преимущества по сравнению с известными топливными форсунками. Например, камера сгорания современного дизельного двигателя в целом оснащена отверстиями с очень малым диаметром для топливной форсунка непосредственного впрыска типа "карандаш", которая должна быть расположена в сложном и тесном пространстве приводных механизмов для впускных и выпускных клапанов. Обычный диаметр отверстия для установки форсунки для впрыска дизельного топлива в камеру сгорания ограничен значением примерно 8,4 мм (0,331 дюйма). В дополнение к таким серьезным ограничениям пространства, в среде головки двигателя под крышкой клапанного механизма постоянно разбрызгивается горячее моторное масло, нагревающее узел топливной форсунки до температуры больше 115°C (240°F), с учетом требований для большей части пробега в 1 миллион миль (1,6 млн. км), которые соответственно запрещают использование традиционных конструкций соленоидных клапанов с воздушным охлаждением.
Таким образом, имеется потребность в преодолении проблемы ограничения работы дизельного двигателя, состоящего в использовании только компрессионного зажигания и дизельного топлива с узким диапазоном цетанового числа и вязкостей наряду со строгими требованиями устранения макрочастиц и воды. Предложенное решение обеспечивает возможность использования большого разнообразия видов топлива при чрезвычайно малых затратах на переоборудование двигателя. Как таковая, одна задача предложенных вариантов реализации согласно настоящему изобретению состоит в использовании менее дорогих видов топлива с широким разнообразием цетанового и/или октанового чисел, наряду с наличием примесей, таких как вода, азот, диоксид углерода, моноксид углерода и различные макрочастицы. Например, традиционные установки для производства этанола, которые в настоящее время изготавливают чистый этиловый спирт, отделенный от нетопливных составов, таких как вода и диоксид углерода, представляющих собой побочный продукт ферментации, могут с избытком удвоить изготовление подходящего для использования топлива, такого как смесь этанола, воды и метанола или бутанола.
Форсунка 3800 и другие описанные в настоящей заявке форсунки преодолевают вышеуказанные проблемы уровня техники обеспечением и разрешением по меньшей мере следующего: 1) увеличение в 3000 раз и более расхода топлива по сравнению с известной форсункой для обычного дизельного топлива, для обеспечения возможности использования дешевых видов топлива, такого как газ из органических отходов, метан, полученный в результате анаэробной ферментации, и различные смеси водорода и другого распыленного топлива, наряду с существенным количеством нетопливных веществ, таких как водяной пар, диоксид углерода и азот; 2) плазменное зажигание такого топлива при его распространении в камере сгорания; и 3) замена форсунок для дизельного топлива во время регулировки.
На фиг. 39 показан разрез форсунки 3900, выполненной согласно другому варианту реализации изобретения. Форсунка 3900 содержит некоторые особенности, которые в целом подобны по структуре и функциям соответствующим особенностям форсунки 3800, описанной выше со ссылкой на фиг. 38A-38F, а также других описанных в настоящей заявке форсунок. Например, форсунка, показанный на фиг. 39, содержит основную часть 3802, противоположную сопловой части 3804. Основная часть 3802 содержит генератор 3806 усилия и соответствующий клапанный узел 3828, а сопловая часть содержит эластомерный золотниковый клапан 3842, коаксиально расположенный поверх части диэлектрического корпуса изолятора 3810. Кроме того, проводящее отверстие 3812 в корпусе изолятора 3810 обеспечивает возможность прохода электрода или электрического проводника 3814 через форсунку 3900 от сопловой части 3804 к основной части 3802.
Проводник 3814 также содержит проходящее вдоль него по меньшей мере одно оптическое волокно или средство 3918 для отслеживания. Оптические волокна 3918 выполнены с возможностью отслеживания или обнаружения иным способом свойств камеры сгорания в сопловой части. Однако согласно другим вариантам реализации оптическое отслеживающее средство 3918 выходит из основной части 3802 для ретрансляции или передачи иным способом данных о камере сгорания контроллеру или процессору 3901. Согласно некоторым вариантам реализации в форсунке 3900 может быть расположен процессор 3901. Однако согласно другим вариантам реализации процессор 3901 может быть расположен на расстоянии от форсунки 3900. Кроме того, оптические волокна 3818 могут быть выполнены с возможностью передачи данных о камере сгорания процессору посредством проводного или беспроводного соединения.
Согласно еще одной особенности показанного на чертеже варианта реализации основная часть 3802 также содержит диэлектрический изолятор 3907, который выдерживает высокое напряжение, поданное к основной части 3802 посредством проводника 3814. В частности, проводник 3814 содержит продолжающуюся часть 3913 в основной части 3802, отдельную от оптических волокон 3818. Кроме того, в показанном на чертеже варианте реализации основная часть 3802 содержит входной топливный штуцер 3926, который проходит под углом 90° относительно продольной оси форсунки 3900.
На фиг. 40A показан разрез вида сбоку форсунки 4000, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения. Форсунка 4000 содержит некоторые особенности, которые в целом подобны по структуре и функциям соответствующим особенностям форсунок, описанных выше со ссылкой на фиг. 1-39. Например, форсунка 4000 содержит первую или основную часть 4002, противоположную второй или сопловой части 4004. Форсунка 4000 также содержит втулку или корпус 4008, проходящий между основной частью 4002 и сопловой частью 4004. Корпус 4008 окружает первую диэлектрическую часть или диэлектрический изолятор 4009, проходящий вдоль форсунки 4000 и коаксиально расположенный во второй диэлектрической части или диэлектрическом изоляторе 4010 корпуса. Второй изолятор 4010 корпуса отделен радиально с внешней стороны от первого изолятора 4009 корпуса промежутком, формирующим канал 4011 для протекания топлива, проходящий вдоль форсунки 4000 от основной части 4002 к сопловой части 4004.
Первый изолятор 4009 корпуса имеет проводящее отверстие 4012, проходящее коаксиально вдоль корпуса. Проводящее отверстие 4012 выполнено с обеспечением возможности прохода электрода или электрического проводника 4014 через форсунку 4000 от сопловой части 4004 к основной части 4002. Например, проводник 4014 может быть соединен с источником энергии, таким как источник напряжения, для подачи энергии зажигания по меньшей мере к одному электроду или зажигающему элементу 4016, расположенному в сопловой части 4004. Проводник 4014 также может содержать по меньшей мере одно оптическое волокно или средство 4018 для отслеживания, проходящее вдоль него. Оптическое отслеживающее средство 4018 выполнено с возможностью обнаружения или распознавания другим способом свойств камеры сгорания и передачи данных об этих свойствах контроллеру или процессору.
Согласно дополнительным особенностям показанного на чертеже варианта реализации основная часть 4002 содержит генератор 4006 усилия (например, подходящий пневматический, гидравлический, электромагнитный соленоидный, пьезоэлектрический компонент, и т.п.), расположенный в кожухе 4020 генератора усилия. Кожух 4020 содержит входное топливное отверстие, соединенное с топливным штуцером 4026, для приема топлива в кожух 4020 от источника топлива. Кожух 4020 также содержит выходное топливное отверстие 4024, выполненное с обеспечением возможности выхода топлива из кожуха 4020 через клапанный узел 4028. В частности,клапанный узел 4028 содержит клапан 4032 (например, ферромагнитный клапан), который расположен в полости 4021 клапана. Полость 4021 клапана гидравлически сообщается с внутренней частью кожуха 4020 генератора усилия через выходное топливное отверстие 4024. Клапан 4032 герметизирует или закрывает выходное топливное отверстие 4024, если клапан 4032 находится в нормально закрытом положении, как показано на фиг. 40A.
Клапанный узел 4028 также содержит неподвижную ферромагнитную полюсную часть или полюсной элемент 4033, расположенный в полости 4021 клапана. В закрытом положении клапан 4032 расположен на расстоянии от полюсной части 4033, заданном полостью 4030. Смещающий элемент 4830, такой как неферромагнитная пружина, тарельчатая пружина, и т.п., также дополнительно может быть расположен между полюсной частью 4033 и клапаном 4032 в полости 4030 и перемещать клапан 4032 в направлении от полюсной части 4033 в закрытое положение. Клапанный узел 4028 дополнительно содержит притягивающий элемент 4038 (например, электромагнит, постоянный магнит, и т.п.), который притягивает или иным способом смещает клапан 4032 в направлении к закрытому положению. В частности, в показанном на чертеже варианте реализации клапан 4032 имеет в целом цилиндрический корпус и в целом клиновидную, коническую или усеченно-коническую концевую часть 4037, расположенную рядом с притягивающим элементом 4038. Как таковая, коническая концевая часть 4037 имеет меньший размер сечения по сравнению с цилиндрической частью клапана 4032.
При использовании электрический ток, поданный в генератор 4006 усилия, намагничивает полюсную часть 4033 и тем самым вызывает перемещение клапана 4032 в направлении к полюсной части 4033 в открытое положение (например, в направлении от сопловой части 4004). При перемещении клапана 4032 в полости 4021 из закрытого положения в открытое положение рядом с полюсной частью 4033 коническая концевая часть 4037 клапана 4032 расположена рядом с выходным топливным отверстием 4024 генератора усилия, так что клапан 4032 не герметизирует или закрывает топливное выходное отверстие 4024. Как таковое, топливо может вытекать из генератора 4006 усилия в топливное окно или отверстие 4013 в полости 4021 клапана и затем в топливный канал 4011 между первым изолятором 4009 корпуса и вторым изолятором 4010 корпуса. Кроме того, при перемещении в открытое положение клапан 4032 обеспечивает возможность протекания топлива из топливного выходного отверстия 4024 в топливный канал через топливное окно 4013 в полости 4021 клапана. После возвращения в нормально закрытое положение (например, к сопловой части 4004) клапан 4032 путем скользящего перемещения закрывает топливное выходное отверстие 4024 и тем самым останавливает протекание топлива.
Соответственно, клапан 4032 в основной части 4002 перемещается продольно в форсунке 4000. Однако согласно дополнительным особенностям показанного на чертеже варианта реализации форсунка 4000 также может содержать второй клапан 4042, расположенный в сопловой части 4004. В частности, второй клапан 4042 является деформируемым или эластомерным золотниковым клапаном 4042, который коаксиально расположен поверх первого и второго изоляторов 4009, 4010 корпуса, расположенных в сопловой части. Основная часть золотникового клапана 4042 может быть прикреплена к второму изолятору 4010 корпуса подходящим адгезивом, термополимером, термореактивным составом или другими соответствующими адгезивами. Кроме того, в показанном на чертеже варианте реализации золотниковый клапан 4042 содержит концевую часть 4043, выполненную с возможностью удерживания золотникового клапана 4042 вплотную к второму изолятору 4010 корпуса посредством второго эластомерного удерживающего средства 4041. Как таковое, удерживающее средство 4041 может фиксировать сжатием клапанную втулку вплотную к второму изолятора 4010 корпуса.
Кроме того, клапанная втулка 4042 проходит поверх нескольких выходных отверстий или отверстий 4041 для впрыска, расположенных в сопловой части. В частности, второй изолятор 4010 корпуса содержит многочисленные отверстия 4041 для впрыска, которые гидравлически сообщаются с топливным каналом 4011, проходящим между первым изолятором 4009 корпуса и вторым изолятором 4010 корпуса. Соответственно, при открывании первого клапана 4032 и вводе топлива под давлением в топливный канал 4011, проходящий продольно в направлении к сопловой части 4004, золотниковый клапан 4042 расширяется поверх отверстий 4041для впрыска и тем самым обеспечивает возможность выхода топлива из сопловой части 4004.
На фиг. 40B показан вид сверху верхней части смещающего элемента 4039, показанного на фиг. 40A, выполненного в соответствии с одним вариантом реализации изобретения. В показанном на чертеже варианте реализации смещающий элемент 4039 может иметь смещенную центральную часть 4051, отделенную от периферийной части смещающего элемента по меньшей мере одним каналом 4053, проходящим через смещающий элемент 4039. Согласно некоторым вариантам реализации смещающий элемент 4039 может быть выполнен из немагнитной листовой нержавеющей стали толщиной 0,1 мм (0,004 дюйма). Кроме того, смещающий элемент 4039 может быть проштампован или обработан фототравлением для достижения показанной на чертеже геометрической формы. Смещающий элемент 4039 дополнительно может быть термически обработан для формирования желательных пружинных свойств в центральной части 4051, в результате чего центральная часть 4051 немного приподнята. Немагнитная природа смещающего элемента 4039 обеспечивает возможность быстрого возвращения клапана 4032, показанного на фиг. 40A, в нормально закрытое положение благодаря зазору шириной примерно 0,1 мм (0,004 дюйма) для предотвращения формирования притягивающих сил твердыми магнитными доменами, вследствие чего может быть увеличен открытый период клапана 4032. Однако согласно другим вариантам реализации смещающий элемент может быть смещающим элементом другого типа, включая, например, конусную пружину, пружинную шайбу, спиральную сжимающую пружину, и т.п. Кроме того, согласно еще одним дополнительным вариантам реализации смещающий элемент 4039 может быть устранен из клапанного узла 4028, показанного на фиг. 40A.
На фиг. 41 показан разрез частичного вида сбоку форсунки 4100, выполненной в соответствии с другим вариантом реализации изобретения. В показанном на чертеже варианте реализации форсунка 4100 содержит основную часть 4102, содержащую клапанный узел 4128, который в целом подобен по структуре и функциям клапанному узлу 4028, описанному выше со ссылкой на фиг. 40A. Например, клапанный узел 4128, показанный на фиг. 41, содержит клапан 4132, расположенный в полости 4121 клапана. Полость 4121 гидравлически сообщается с выходным топливным отверстием 4124 генератора усилия. Однако в показанном на чертеже варианте реализации часть полости 4121 клапана, окружающая выходное топливное отверстие 4124, имеет коническую форму, в целом соответствующую конической или усеченной конической форме концевой части клапана 4132. В частности, концевая часть клапана 4132 содержит первую клиновидную, коническую или усеченную коническую поверхность 4138, проходящую от второй клиновидной, конической или усеченной конической поверхности 4139. Поверхность полости 4121 клапана, которая входит в контакт с клапаном 4132, имеет ту же или в целом подобную клиновидную, коническую или усеченную коническую форму, что и вторая коническая поверхность 4139 клапана 4132. Преимущество этого варианта реализации состоит в том, что клиновидная или коническая форма обеспечивает увеличенные допуски между клапаном 4132 и поверхностью полости 4121 клапана, которая входит в контакт с клапаном 4132.
На фиг. 42 показан разрез вида сбоку форсунки 4200, выполненной согласно другому варианту реализации изобретения. Форсунка 4200 содержит некоторые средства, которые в целом подобны по структуре и функциям описанным в настоящей заявке форсункам, и в частности форсунке 1600, описанной выше со ссылкой на фиг. 28. В варианте реализации, показанном на фиг. 42, например, форсунка 4200 содержит основную часть 4202, противоположную сопловой части 4204. Стержень или кабель 4214 исполнительного устройства проходят от основной части 4202 в направлении к сопловой части 4204 в продольном топливопроводе. Кабель 4214 соединен с открывающимся наружу редукционным клапаном 4224, расположенным в сопловой части 4204. Кабель 4214 может содержать по меньшей мере один отслеживающий элемент, такой как оптоволоконный кабель, для передачи данных о камере сгорания контроллеру или процессору. Топливное входное отверстие 4209 в основной части гидравлически сообщается с указанным топливопроводом.
Основная часть 4202 также содержит генератор 4206 усилия (например, соответствующий пневматический, гидравлический, электромагнитный соленоид, пьезоэлектрический компонент, и т.п.), который обеспечивает активирующее усилие для кабельного стопора или тормоза 4266. Кабельный тормоз 4266 прикладывает сжимающее или радиально сжимающее усилие к кабелю 4214 для поддержания в кабеле 4214 растягивающего усилия и удержания клапана 4244 в закрытом положении. Основная часть 4202 дополнительно содержит притягивающий элемент 4270, такой как магнит или постоянный магнит, соединенный с кабелем 4214 технологически ниже кабельного тормоза 4266. Притягивающий элемент 4270 притягивается к неподвижному ферромагнитному диску 4268, который соединен с основной частью 4202 и расположен между притягивающим элементом 4270 и кабельным тормозом 4266.Соответственно, притягивающий элемент 4270 также прикладывает растягивающее усилие к кабелю 4214 по меньшей мере для частичного удерживания клапана 4224 в закрытом положении.
Согласно дополнительным аспектам показанного на чертеже варианта реализации основная часть 4202 также содержит первый ограничитель 4264, соединенный с кабелем 4214, выполненный с возможностью взаимодействия с кабельным тормозом 4266 для обеспечения порога для величины осевого перемещения кабеля 4214. Основная часть 4202 также содержит второй ограничитель 4260, соединенный с кабелем 4214 технологически выше первого ограничителя 4264. Первый ограничитель 4260 входит в контакт со смещающим элементом 4262 (например, пружиной, спиральной пружиной сжатия, и т.п.) для дополнительного натяжения кабеля 4214 по меньшей мере для частичного удерживания клапана 4224 в закрытом положении.
При использовании топливо вводится в топливопровод через топливное входное отверстие 4209. Кабельный тормоз 4266 блокирует кабель 4214 и предотвращает клапан 4224 от открывания путем приложения сжимающего усилия к кабелю 4214. Если необходимо осуществить впрыск топлива, генератор 4206 усилия переводит кабельный тормоз 4266 в освобожденное положение. Если кабельный тормоз 4266 находится в освобожденном состоянии, давление топлива в топливопроводе открывает клапан 4244. В частности, градиент давления в топливопроводе преодолевает силу натяжения кабеля 4214, приложенную вторым ограничителем 4260 и смещающим элементом 4262, а также притягивающим элементом 4270 и ферромагнитным диском 4268. Кроме того, общее перемещениекабеля 4214 ограничивается первым ограничителем 4264 при его входе в контакт с кабельным тормозом 4266.
Вариант реализации форсунки 4200, показанный на фиг. 42, соответственно обеспечивает изменяемое управление давлением и усовершенствованное управление актами впрыска. Например, кабельный тормоз 4266 может прикладывать к кабелю 4214 изменяемое ограничивающее усилие для регулирования давления, необходимого для открывания клапана 4224. Кроме того, второй ограничитель 4260 и соответствующий смещающий элемент 4262, отдельно или в сочетании с притягивающим элементом 4270 и соответствующим ферромагнитным диском 4268, может дополнительно выборочно управлять давлением, необходимым для открывания клапана. Подобно другим описанным в настоящей заявке вариантам реализации, также может быть обеспечено адаптивное управление топливной форсункой 4200 в ответ по меньшей мере на один отслеженный параметр камеры сгорания.
Согласно дополнительным вариантам реализации изобретения и как описано подробно выше форсунки, выполненные в соответствии с вариантами реализации изобретения, могут иметь по меньшей мере один зажигающий элемент или электрод, которые содержит сопловая часть соответствующей форсунки. Такие форсунки дополнительно могут иметь крышку, расположенную в сопловой части, для направления или управления шаблоном рассеивания топлива. Согласно некоторым вариантам реализации, например, такие сопловые части и соответствующие редукционные клапаны, электроды и концевые колпачки могут иметь по меньшей мере следующие конструкции: открывающийся наружу топливный регулирующий клапан с неподвижными электродами, расположенными за пределами клапана; открывающийся наружу топливный регулирующий клапан с неподвижным электродом, расположенным в клапане; открывающийся внутрь топливный регулирующий клапан с неподвижными электродами, расположенными за пределами клапана; открывающийся внутрь топливный регулирующий клапан с неподвижным электродом, расположенным в клапане; электроды, которые перемещаются во внешнем направлении, с клапаном, перемещающимся во внешнем направлении; электроды, которые перемещаются во внутреннем направлении, с клапаном, перемещающимся во внутреннем направлении, и т.п.
Кроме того, согласно некоторым вариантам реализации форсунки с этими сопловыми частями (например, сочетания клапана, электрода и/или крышки) могут распространять плазму в осевом направлении от соответствующей сопловой части. Например, концевой колпачок или электрод, такой как концевой колпачок, описанный выше со ссылкой на фиг. 24a, может по меньшей мере частично возбуждать плазму, проходящую радиально или в осевом направлении от сопловой части. В частности, концевые колпачки, которые имеют конструктивные компоненты, расположенные на пути осевого перемещения топлива, могут соответствующим образом возбуждать плазму, распространяющуюся в осевом направлении от сопловой части. Возбуждение плазмы в этих направлениях, и в частности в осевом направлении от сопловой части, может компенсировать или иным способом учитывать циркулирующее перемещение впрыснутого топлива. Кроме того, такое возбуждение плазмы также обеспечивает улучшенное формирование и управление шаблонами впрыскивания топлива.
Дополнительные варианты реализации
Система впрыска топлива, содержащая топливную форсунку для впрыскивания топлива, причем топливо впрыскивается путем подачи через клапан, и запальную свечу для воспламенения топлива, при этом запальная свеча для воспламенения топлива является неотъемлемой частью топливной форсунки, причем средство для подачи топлива через клапан при необходимости открывается средством для открывания, выбранным из группы, содержащей изолированный стержень, изолированный кабель и изолированное оптоволокно, при этом усилие, необходимое средству для открывания, обеспечивается вырабатывающим усилие средством, причем средство для подачи топлива через клапан, средство для впрыскивания топлива и средство для воспламенения топлива являются встроенными у граничной поверхности средства для сжигания топлива.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой средство для открывания также обеспечивает обнаружение или передачу обнаруженной информации от воспламеняющего средства управляющему средству.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой управляющее средство является неотъемлемой частью средства для впрыскивания топлива.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой вырабатывающее усилие средство является электромеханическим.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой вырабатывающее усилие средство, обеспечивающее ударное усилие, выбрано из группы, содержащей кабель, стержень или оптоволокно.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой средство для воспламенения топлива выбрано из группы, содержащей искровое средство, многоискровое средство и плазменное средство.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой управляющее средство охлаждается топливом.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливом охлаждается по меньшей мере вырабатывающее усилие средство или средство для подачи через клапан.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо впрыскивается по меньшей мере в одно из тепловой машины или топливного элемента.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо хранится средством для хранения топлива, причем средство для хранения топлива выбрано из группы средств для хранения топлива, которое представляет собой низкотемпературные жидкости, низкотемпературные твердые частицы и жидкости, низкотемпературные твердые частицы, жидкости, пары и газы; некриогенные жидкости, некриогенные твердые частицы и жидкости, и некриогенные твердые частицы, жидкости, пары и газы.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо выбрано из группы, включающей низкотемпературное жидкое топливо, низкотемпературное твердое топливо и низкотемпературное газообразное топливо.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо выбрано из группы, состоящей из твердого топлива, жидкого топлива, топливного пара и газообразного топлива.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо является смесью низкотемпературного и некриогенного топлива.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо доставляется и сжигается согласно одному из режимов сгорания стратифицированного заряда, сгорания гомогенного заряда и сгорания стратифицированного заряда в пределах гомогенного заряда.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой средство для подачи через клапан защищено материалом, выбранным из группы, содержащей сапфир, кварц, стекло и высокотемпературный полимер.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо проходит через средство для теплообмена перед подачей в форсунку.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой средство для воспламенения содержит средство, выбранное из группы, состоящей из конденсаторного разряда, пьезоэлектрической выработки напряжения и индуктивной выработки напряжения.
Процесс преобразования энергии, содержащий этапы, на которых сохраняют по меньшей мере одно топливное вещество в резервуаре для хранения, передают топливо и/или производные топлива в устройство, которое по существу разделяет исполнительное средство клапана от регулирующего клапана, расположенного у граничной поверхности камеры сгорания двигателя для управления топливом или производными топлива посредством электрически изолированного кабельного средства или стержневого средства для устранения подтекания топлива в камеру сгорания двигателя в нежелательные моменты времени.
Процесс, описанный в настоящей заявке, в котором регулирующий клапан при необходимости электрически заряжают для обеспечения плазменного разряда.
Процесс, описанный в настоящей заявке, в котором электрически изолированное кабельное средство или стержневое средство также обеспечивают обнаружение и/или передачу обнаруженной информации от камеры сгорания в управляющее процессом средство.
Процесс, описанный в настоящей заявке, в котором топливные производные изготавливают с использованием средства, выбранного из группы, содержащей теплообменник, обратимый топливный элемент и каталитический теплообменник.
Процесс, описанный в настоящей заявке, в котором топливо или топливные производные содержат водород, который используется в качестве теплопередающего средство и/или для уменьшения потерь при работе относительно перемещающихся компонентов в процессе преобразования энергии.
Процесс, описанный в настоящей заявке, в котором относительно перемещающимся компонентом является генератор электроэнергии.
Процесс, описанный в настоящей заявке, в котором относительно перемещающимся компонентом является тепловая машина.
Процесс, описанный в настоящей заявке, в котором резервуар изолирует низкотемпературные вещества.
Процесс, описанный в настоящей заявке, в котором резервуар содержит запасы топлива и/или производных топлива под давлением.
Система для интеграции средства для впрыскивания топлива и средства для воспламенения, в которой прерывистым потоком топлива для обеспечения впрыскивания топлива при необходимости управляет клапан, электрически изолированный изолирующим средством от средства для приведения клапана в действие, причем средство для приведения клапана в действие прикладывает к клапану усилие с использованием электрически изолирующего средства.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой средство для приведения в действие прикладывает усилие к клапану с использованием электрически изолирующего средства, которое состоит из электрически изолирующего кабеля или стержня.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой кабель или стержень также обеспечивают обнаружение и/или передачу обнаруженной информации от камеры сгорания в управляющее средство для управления системой.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой регулирующий клапан при необходимости электрически заряжен для обеспечения плазменного разряда для воспламенения при необходимости впрыскиваемого топлива, которое может протекать мимо регулирующего клапана.
Система для обеспечения функций редукционного клапана, в которой выполненный с возможностью перемещения элемент клапана перемещается плунжерным средством, которое приводится в действие средством, выбранным из группы, состоящей из соленоидного механизма, кулачкового механизма и сочетания соленоидного и кулачкового механизмов, причем элемента клапана при необходимости удерживается в заданном положении для обеспечения возможности протекания текучей среды с использованием средства, выбранного из соленоидного механизма, пьезоэлектрического механизма и сочетания соленоидного и пьезоэлектрического механизмов.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой по меньшей мере часть текучей среды доставляется в двигатель для ускорения впуска воздуха и увеличения объемной эффективности двигателя.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой по меньшей мере часть потока текучей среды доставляется в камеру сгорания двигателя с использованием системы, содержащей встроенные средство для впрыскивания топлива и средство для воспламенения, причем прерывистым потоком, обеспечивающим впрыскивание топлива, управляет клапан, который электрически изолирован изолирующим средством от средства для приведения клапана в действие, при этом средство для приведения в действие прикладывает усилие к клапану с использованием электрически изолирующего средства.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой такая работа обеспечивает адаптивно максимизированное эффективное давление тормозного средства при циклическом сгорании различных видов топлива независимо от октанового числа, цетанового числа, вязкости, плотности энергосодержания или температуры топлива.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо и/или водородосодержащие составы преобразуются в водород и/или смеси водорода и других компонентов текучей среды с использованием теплообменника, который поддерживает эндотермические реакции путем передачи тепла от двигателя топливу и/или водородосодержащим составам.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой водород используется в целях, выбранных из группы, включая охлаждение вращающихся механизмов, уменьшение потерь сопротивления воздуха вращающихся механизмов, в качестве среды для поглощения и удаления влаги и в качестве топлива по меньшей мере для двух гибридизированных преобразующих энергию применений.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой текучая среда содержит водород, который используется в целях, выбранных из группы, состоявшей из охлаждения вращающихся механизмов, уменьшения потерь сопротивления воздуха вращающихся механизмов, в качестве среды для поглощения и удаления влаги и в качестве топлива по меньшей мере для двух гибридизированных преобразующих энергию применений.
Система для впрыскивания топлива, содержащая микропроцессор и топливную форсунку для впрыскивания топлива, в которой топливо впрыскивается открыванием клапанного элемента; средство для воспламенения топливо, причем средство для воспламенения топлива является неотъемлемой частью форсунки; при этом клапанный элемент открывается по меньшей мере одним из кабеля или стержня, соединенных с исполнительным устройством; причем кабель или стержень электрически изолированы и дополнительно содержат оптоволоконный элемент для передачи микропроцессору данных о сгорании.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой средство для воспламенения топлива расположено рядом клапанным элементом.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой исполнительное устройство является электромеханическим исполнительным устройством.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой исполнительное устройство прикладывает ударное усилие к кабелю или стержню.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой средство для воспламенения топлива представляет собой средство, выбранное из искрового средства, многоискрового средства или средства для плазменного разряда.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой микропроцессор расположен в корпусе топливной форсунки.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой микропроцессор расположен рядом с трубопроводом для подачи топлива в форсунку, и топливо, проходящее через трубопровод, охлаждает микропроцессор.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо используется для охлаждения по меньшей мере одного из клапанного элемента или исполнительного устройства.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо впрыскивается по меньшей мере в одно из тепловой машины или топливного элемента.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо хранится в топливном баке, подходящем для хранения низкотемпературных видов топлива.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо выбрано из группы, состоящей из низкотемпературного жидкого топлива, низкотемпературного твердого топлива и низкотемпературного газообразного топлива.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо выбрано из группы, состоящей из твердого топлива, жидкого топлива и газообразного топлива.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо представляет собой смесь низкотемпературного и некриогенного топлива.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо доставляется и сгорает согласно одному из режима сгорания стратифицированного заряда, режима сгорания гомогенного заряда и режима сгорания стратифицированного заряда в пределах гомогенного заряда.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой клапанный элемент выполнен из одного из группы, содержащей сапфир, кварц, стекло и высокотемпературный полимер.
Система, описанная в настоящей заявке, в которой топливо проходит через теплообменник перед подачей в форсунку.
Система для преобразования энергии, содержащая средство для циклического достижения впуска окислителя, впрыска топлива, воспламенения, сгорания и совершения работы, причем окислитель впускают в количестве, превышающем необходимое для полного сгорания впрыснутого топлива, при этом впрыскивание топлива осуществлено средством, выполненным с возможностью многочисленных доставок топлива в каждом цикле работы, причем воспламенение и сгорание топлива отслеживается для определения информации, выбранной из группы, содержащей температуру, давление, скорость сгорания и расположения сгорания, при этом указанная информация используется контроллером для инициирования впрыскивания топлива и остановки впрыскивания топлива после по меньшей мере одной подачи топлива с целью предотвращения состояния, выбранного из группы, содержащей температуру, не достигающую заданной, температуру, превышающую заданную, давление, превышающее заданное, скорость сгорания, не достигающую заданную, скорость сгорания, превышающую заданную, сгорание вне пределов заданной области.
Система для преобразования энергии, описанная в настоящей заявке, в которой впрыскивание топлива обеспечивается клапаном, расположенным по существу у граничной поверхности камеры сгорания или рядом с ней для достижения преобразования энергии.
Система для преобразования энергии, описанная в настоящей заявке, в которой зажигание обеспечивается у граничной поверхности камеры сгорания или по существу рядом с ней для достижения преобразования энергии.
Система для преобразования энергии, описанная в настоящей заявке, в которой после любого акта остановки впрыскивания топлива возобновляется по меньшей мере одно впрыскивание топлива до тех пор, пока система для преобразования энергии не достигнет желательного уровня работы.
Система для преобразования энергии, описанная в настоящей заявке, в которой окислитель в количестве, превышающем необходимое для полного сгорания топлива, доставленного впрыскиванием топлива, поддерживается в качестве оболочки для изоляции каждого из актов сгорания.
Очевидно, что различные изменения и модификации могут быть сделаны без отступления от объема настоящего изобретения. Например, электрическая прочность может быть изменена или модифицирована для использования дополнительных материалов и обрабатывающих средств. Исполнительное устройство и привод могут быть различными в зависимости от вида топлива или использования форсунки. Крышка может использоваться обеспечения формы и целостности распространения топлива, причем размер, конструкция или расположение крышки может быть изменено для обеспечения различных рабочих характеристик и защиты. Согласно другому варианту реализации изобретения форсунка может быть изменена, например, электрод, оптические средства, исполнительное устройство, сопло или корпус могут быть выполнены из других материалов или могут содержать дополнительные конструкции, в отличие от показанных и описанных выше, и тем не менее оставаться в пределах идеи настоящего изобретения.
Если из контекста ясно не следует иное, всюду в описании и пунктах формулы слова "содержать", "содержащий", и т.п. должны рассматриваться во включительном смысле, в противоположность исключительному или ограничительному смыслу; т.е. в смысле "включая, помимо прочего". Слова в форме единственного или множественного числа также содержат множественное или единственное количество соответственно. Если в пунктах формулы используется слово "или" в отношении списка из двух или более пунктов, это слово охватывает все его последующие интерпретации: любой из пунктов в списке, все пункты в списке и любое сочетание пунктов в списке.
Различные варианты реализации, описанный выше, могут сочетаться для создания дополнительных вариантов реализации. Все патенты США, публикации патентных заявок США, патентные заявки США, иностранные патенты, иностранные патентные заявки и непатентные публикации, упомянутые в настоящей спецификации и/или перечисленные в Приложении, посредством ссылки полностью включены в настоящую патентную заявку. Аспекты настоящего изобретения в случае необходимости могут быть изменены для использования топливных форсунок и устройств для зажигания с различными конфигурациями и концепциями различных патентов, заявок и публикаций для создания дополнительных вариантов реализации изобретения.
В свете приведенного выше подробного описания в настоящем изобретении могут быть сделаны эти и другие изменения. В целом, использованные в пунктах приложенной формулы термины не должны рассматриваться в качестве ограничения настоящего изобретения конкретными вариантами реализации, описанными в спецификации и пунктах приложенной формулы, но должны рассматриваться как включающие все системы и способы, которые действуют в соответствии с пунктами формулы. Соответственно, настоящее изобретение не ограничивается настоящим раскрытием, но вместо этого его объем должен быть определен расширительным толкованием пунктов приложенной формулы.
Настоящее изобретение относится к встроенным форсункам/запальным свечам, обеспечивающим эффективный впрыск, воспламенение и полное сгорание различных типов топлива. Согласно одному из вариантов выполнения такая форсунка/запальная свеча может содержать корпус, имеющий основную часть, противоположную сопловой части, и топливопровод, проходящий от основной части к сопловой части. Генератор усилия и первый клапан расположены в основной части. Первый клапан выполнен с возможностью перемещения в ответ на приведение в действие со стороны генератора усилия для перемещения между закрытым и открытым положениями. Форсунка/запальная свеча также содержит второй клапан, расположенный в сопловой части, которая выполнена с возможностью деформации в ответ на давление в топливопроводе для деформирования между закрытым положением и открытым положением. Технический результат заключается в возможности использования различных видов топлива, оптимизации впрыска и сгорания различных видов топлива на осовании условий в камере сгорания. 4 н. и 32 з.п. ф-лы, 78 ил, 2 табл.
1. Топливная форсунка, выполненная с возможностью впрыскивания топлива в камеру сгорания и содержащая:
корпус, имеющий основную часть, противоположную сопловой части;
топливопровод, проходящий через корпус от основной части до сопловой части;
генератор усилия, расположенный в основной части;
первый клапан, расположенный в основной части, причем первый клапан выполнен с возможностью перемещения в ответ на приведение в действие со стороны генератора усилия для перемещения из закрытого положения в открытое положение для ввода топлива в топливопровод; и
второй клапан, расположенный в сопловой части, причем второй клапан выполнен с возможностью деформирования в ответ на давление в топливопроводе для деформирования из закрытого положения в открытое положение для впрыска топлива в камеру сгорания.
2. Топливная форсунка по п. 1, в которой первый клапан выполнен из ферромагнитного материала, а второй клапан выполнен из эластомерного полимера.
3. Топливная форсунка по п. 1, в которой первый клапан содержит проходящий через него топливный канал, причем топливо протекает через клапан по топливному каналу при перемещении клапана из закрытого положения в открытое положение.
4. Топливная форсунка по п. 1, в которой клапан содержит концевую часть в целом с конической или усеченной конической формой, обращенную к сопловой части.
5. Топливная форсунка по п. 1, дополнительно содержащая кожух, в котором по меньшей мере частично расположен генератор усилия, причем кожух содержит топливное входное отверстие для ввода топлива в кожух и выходное топливное отверстие для обеспечения возможности выхода топлива из кожуха.
6. Топливная форсунка по п. 5, в которой в закрытом положении первый клапан блокирует выходное топливное отверстие, а в открытом положении первый клапан открывает выходное топливное отверстие и обеспечивает возможность протекания топлива из выходного топливного отверстия в топливопровод.
7. Топливная форсунка по п. 1, дополнительно содержащая диэлектрический изолятор, проходящий через часть корпуса коаксиально с топливопроводом.
8. Топливная форсунка по п. 7, в которой топливопровод содержит топливный канал, сформированный в изоляторе и проходящий продольно вдоль изолятора.
9. Топливная форсунка по п. 8, в которой размер топливного канала уменьшается при его приближении к сопловой части.
10. Топливная форсунка по п. 7, в которой топливопровод содержит несколько топливных каналов, сформированных в наружной поверхности изолятора и по окружности расположенных на изоляторе на расстоянии друг от друга.
11. Топливная форсунка по п. 7, в которой диэлектрический изолятор является первым диэлектрическим изолятором, причем форсунка дополнительно содержит второй диэлектрический изолятор, проходящий через часть корпуса коаксиально и расположенный на расстоянии от первого изолятора.
12. Топливная форсунка по п. 11, в которой топливопровод выполнен между первым изолятором и вторым изолятором.
13. Топливная форсунка по п. 12, в которой топливопровод в целом проходит параллельно продольной оси корпуса, причем форсунка дополнительно содержит несколько отверстий для впрыска, выполненных в сопловой части, которые сообщаются по текучей среде с топливопроводом, при этом отдельные отверстия для впрыска в целом непараллельны продольной оси корпуса.
14. Топливная форсунка по п. 1, дополнительно содержащая магнитную полюсную часть, расположенную в основной части, причем полюсная часть расположена на расстоянии от клапана, если клапан находится в закрытом положении.
15. Топливная форсунка по п. 14, в которой генератор усилия намагничивает полюсную часть для перемещения первого клапана из закрытого положения в открытое положение.
16. Топливная форсунка по п. 14, дополнительно содержащая смещающий элемент, расположенный между полюсной частью и клапаном, причем смещающий элемент, выполненный из немагнитного материала, вызывает перемещение клапана в направлении от полюсной части.
17. Топливная форсунка по п. 1, дополнительно содержащая электрический проводник, проходящий продольно через центральную часть корпуса, причем проводник выполнен с возможностью соединения с источником энергии для зажигания.
18. Топливная форсунка по п. 17, дополнительно содержащая зажигающий элемент, расположенный в сопловой части и функционально соединенный с проводником.
19. Топливная форсунка по п. 17, дополнительно содержащая по меньшей мере одно или несколько оптических волокон, коаксиально расположенных в проводнике, причем по меньшей мере одно или несколько оптических волокон выполнены с возможностью обнаружения по меньшей мере одного параметра камеры сгорания.
20. Топливная форсунка, выполненная с возможностью впрыскивания топлива в камеру сгорания и содержащая:
корпус, имеющий основную часть, противоположную сопловой части, причем основная часть принимает топливо в корпус, а сопловая часть выполнена с возможностью расположения рядом с камерой сгорания;
кожух, расположенный в основной части, в котором по меньшей мере частично размещен генератор усилия, причем кожух содержит входное топливное отверстие и выходное топливное отверстие, при этом входное топливное отверстие выполнено с возможностью приема топлива от топливного источника, а выходное топливное отверстие выполнено с обеспечением возможности выхода топлива из кожуха;
топливопровод, сообщающийся по текучей среде с выходным топливным отверстием в кожухе, проходящий продольно через корпус от основной части к сопловой части;
первый клапан, расположенный рядом с генератором усилия, причем первый клапан выполнен с возможностью перемещения в ответ на приведение в действие со стороны генератора усилия для перемещения между закрытым положением и открытым положением и таким образом обеспечения возможности протекания топлива из выходного топливного отверстия в топливопровод; и
второй клапан, расположенный в сопловой части, причем второй клапан выполнен с возможностью перемещения в ответ на заданное давление топлива в топливопроводе для перемещения в целом радиально наружу от продольной оси корпуса между закрытым положением и открытым положением и таким образом впрыскивания топлива в камеру сгорания.
21. Топливная форсунка по п. 20, в которой первый клапан является ферромагнитным клапаном, а второй клапан является деформируемым полимерным клапаном.
22. Топливная форсунка по п. 20, в которой корпус имеет продольную ось, причем первый клапан перемещается в целом параллельно продольной оси между закрытым и открытым положениями, а второй клапан перемещается в целом радиально во внешнем направлении от продольной оси между закрытым и открытым положениями.
23. Топливная форсунка по п. 20, дополнительно содержащая:
проводник, проходящий продольно через корпус от основной части до сопловой части, причем проводник выполнен с возможностью соединения с источником энергии для зажигания; и
по меньшей мере один из зажигающих элементов функционально соединен с проводником и выполнен с возможностью осуществления зажигания в камере сгорания для воспламенения топлива.
24. Топливная форсунка по п. 23, дополнительно содержащая по меньшей мере один отслеживающий элемент, коаксиально расположенный относительно проводника и проходящий от основной части к сопловой части.
25. Топливная форсунка, выполненная с возможностью впрыскивания топлива в камеру сгорания и содержащая:
корпус, имеющий основную часть, противоположную сопловой части;
клапан, расположенный в сопловой части, причем клапан выполнен с возможностью перемещения между открытым положением и закрытым положением;
исполнительное устройство, функционально соединенное с клапаном и проходящее от клапана к основной части, причем исполнительное устройство перемещает клапан в закрытое положение, если на исполнительное устройство по меньшей мере частично действует растягивающее усилие; и
тормоз исполнительного устройства, выполненный с возможностью входа в контакт с исполнительным устройством, причем исполнительное устройство выполнено с возможностью перемещения между первым положением и вторым положением, при этом в первом положении тормоз исполнительного устройства прикладывает сжимающее усилие к исполнительному устройству для по меньшей мере частичного обездвиживания исполнительного устройства под действием растягивающего усилия для удерживания клапана в закрытом положении, а во втором положении тормоз исполнительного устройства освобождает исполнительное устройство.
26. Топливная форсунка по п. 25, дополнительно содержащая генератор усилия, который вызывает перемещение тормоза исполнительного устройства между первым и вторым положениями.
27. Топливная форсунка по п. 25, дополнительно содержащая ограничитель, соединенный с исполнительным устройством, причем ограничитель выполнен с возможностью входа в контакт с тормозом исполнительного устройства для ограничения расстояние, на которое клапан перемещается из закрытого положения в открытое положение.
28. Топливная форсунка по п. 25, дополнительно содержащая:
ограничитель, соединенный с исполнительным устройством; и
смещающий элемент, расположенный рядом с ограничителем, причем смещающий элемент вызывает перемещение ограничителя в направлении от сопловой части для натяжения исполнительного устройства и по меньшей мере частичного удерживания клапана в закрытом положении.
29. Топливная форсунка по п. 25, дополнительно содержащая:
притягивающий элемент, соединенный с исполнительным устройством; и
неподвижный ферромагнитный диск, соединенный с основной частью, причем притягивающий элемент смещен к диску в направлении от сопловой части для натяжения исполнительного устройства и по меньшей мере частичного удерживания клапана в закрытом положении.
30. Способ работы топливной форсунки для впрыскивания топлива в камеру сгорания, при котором:
вводят топливо в основную часть топливной форсунки, приводят в действие первый клапан в направлении, в целом параллельном продольной оси топливной форсунки, для обеспечения возможности протекания топлива из основной части в топливопровод, проходящий от основной части к сопловой части топливной форсунки, и
приводят в действие второй клапан в направлении, в целом непараллельном продольной оси для дозированной подачи топлива из топливопровода в камеру сгорания.
31. Способ по п. 30, при котором приведение в действие первого клапана включает перемещение первого клапана из закрытого положения в открытое положение путем использования соленоидной обмотки.
32. Способ по п. 30, при котором приведение в действие второго клапана включает перемещение второго клапана путем по меньшей мере частичного деформирования второго клапана в ответ на заданное давление в топливопроводе.
33. Способ по п. 30, при котором второй клапан содержит золотниковый клапан, коаксиально расположенный на сопловой части, причем приведение в действие второго клапана включает радиальное расширение по меньшей мере части золотникового клапана.
34. Способ по п. 30, при котором приведение в действие первого клапана включает электромагнитное приведение в действие первого клапана, а приведение в действие второго клапана включает приведение в действие второго клапана посредством текучей среды.
35. Способ по п. 30, при котором приведение в действие второго клапана включает автоматическое приведение в действие второго клапана в ответ на заданное давление в топливопроводе.
36. Способ по п. 30, при котором дополнительно воспламеняют топливо в камере сгорания с использованием зажигающего элемента, расположенного в сопловой части.
| СПОСОБ ВПРЫСКА ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЬ И ТОПЛИВНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1990 |
|
RU2042859C1 |
| ЭЛЕКТРОУПРАВЛЯЕМАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1999 |
|
RU2215179C2 |
| US 20060283424 A1, 21.12.2006 | |||
| US 5715788 A1, 10.02.1998 | |||
| US 6732959 B2, 11.05.2004 | |||
| US 6155212 A1, 05.12.2000 | |||
