Способ формирования топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2017 года по МПК F02M31/00 F02M27/00 F02D19/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно к двигателестроению и может быть использовано в системах питания поршневых бензиновых двигателей внутреннего сгорания, системах питания роторных и авиационных газотурбореактивных двигателей - как внутреннего, так и внешнего сгорания, и других. В большей степени сориентирован на бензиновые поршневые двигатели.

Уровень техники

Известны способы формирования топливовоздушной смеси на бензиновых ДВС, такие как инжекционный или карбюраторный, общий и раздельный впрыск, непосредственный электронный впрыск, совмещенный с турбонаддувом (TSI).

При карбюраторном способе топливо, бензин, захватывается потоком воздуха в инжекционном устройстве - карбюраторе, за счет разрежения, создаваемого цилиндрами двигателя. Однако процесс инжекции был всегда нестабильным, особенно на переходах с режима на режим, требовал постоянного усовершенствования карбюратора, не удовлетворял возрастающим экологическим и экономическим требованиям, в связи с чем уступил место электронным системам впрыска.

Электронные системы впрыска лучшим образом формируют топливовоздушную смесь, тем самым лучше удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к бензиновым двигателям.

Тем не менее, развитие моторостроения, в частности бензиновых двигателей, ограничено появлением такого явления в двигателях, как детонация, и решается в большей степени не путем применения электронных систем, а производством более качественного, в связи с чем и более дорогого топлива, в частности бензина. Единственной целью этих сложных систем является создания максимально строгого соответствия бензина и воздуха. А управление мощностными режимами осуществляется обычным способом - путем изменения коэффициента наполнения цилиндров.

Известны также способы повышения эффективности работы и экономичности двигателей внутреннего сгорания путем предпламенной подготовки топливовоздушной смеси за счет получения водородосодержащих газов и окиси углерода и добавления этих газов к топливовоздушной смеси.

Так, в патенте США №4147142, опубл. 03.04.1979 г., предлагается производить испарение и нагревание жидкого топлива до 200°C в теплообменнике за счет тепла выхлопных газов, добавляя их непосредственно в топливовоздушную смесь. Горючая смесь поступает в камеру с катализатором, в присутствии которого происходит расщепление жидкого топлива с образованием газов.

Использование для этих целей тепла только выхлопных газов недостаточно, что не может привести к эффективному, стабильному протеканию процесса. Поэтому достижение более высокой температуры достигается за счет сжигания дополнительного количества топлива, увеличивая общий расход.

Способ, рассмотренный в патенте США №3901197, опубликованный 26.08.1975 г. предусматривает разделение нормальной, по составу, для горения топливовоздушной смеси на два потока. Первый их них - вспомогательный, с меньшим расходом, прожигают, и он горит открытым пламенем, проходя через теплообменник. Второй, основной, пропускают по своим каналам в теплообменнике, нагревая его, затем смешивают с горячими газами первого потока. Нагретую смесь подают в каталитическую камеру с катализатором, потом в двигатель.

Использование в этом способе открытого пламени не только малоэффективно, но и опасно. Опасность возрастает при неравномерной работе двигателя и перебоях, так как скорость распространения пламени топливовоздушной смеси может быть больше скорости потока самой смеси. К тому же обогащенная смесь не может гореть без остатка и поэтому содержит несгоревшие углеводороды типа C_nH_n+2, которые в виде сажи, кокса отлагаются в порах катализатора, выводя его из строя.

Раскрытие изобретения

Технический результат заключается в возможности повысить степень сжатия двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и, как следствие, в экономичном сжигании топлива, применении различных видов топлива, улучшении экологических характеристик. Заявленный результат достигается способом формирования топливовоздушной смеси на двигателе внутреннего сгорания, который включает следующие этапы: испарение топлива, получение водородосодержащих газов путем расщепления топлива, охлаждение и оптимизация температуры топлива, подготовка воздуха параллельно подготовке топлива, непосредственное формирование топливовоздушной смеси, смешивание топлива, содержащего углеводородные газы, с воздухом, с коэффициентом избытка воздуха k_из.в≥3, дообогащение топливовоздушной смеси до искомого коэффициента избытка воздуха k_из.в = от 1,0 до 2,8, коррекция дообогащенной смеси, управление мощностными режимами двигателя путем изменения коэффициента избытка воздуха наряду с изменением величины коэффициента наполнения цилиндров.

Осуществление изобретения

В предлагаемом способе топливовоздушная смесь формируется поэтапно и в несколько фаз. На первом этапе подготовки топлива оно подается в испаритель, где, испаряясь, расширяется, что исключает применение дополнительных средств для продвижения топлива по системе.

В испарителе может быть использовано тепло как выхлопных газов, так и другого источника, например тепла за счет бортовой электрической сети.

На втором этапе пары топлива попадают в специальное устройство, где подвергается воздействию факторов, способных разлагать (расщеплять) топливо. В результате чего образуются водородосодержащие газы: H₂ - водород, СН₄ - метан, С₂Н₆ - этан, С₂Н₄ - этилен, С₂Н₂ - ацетилен, С₃Н₈ - пропан, С₃Н₆ - пропилен, i-C₄H₁₀ - изобутан, n-C₄H₁₀ - н/бутан и другие газообразные и жидкие производные углеводородов в процентном отношении, содержащиеся в топливе.

К таким факторам относятся: термический, динамический, химический, пьезоэлектрический, короноразрядный, электродуговой, в том числе рассеянная плазма, ультразвуковой, кавитационный, каталитический, и даже ядерный - способы разложения топлива.

Выбор факторов по способу разложения топлива и их количества зависит:

- от типа двигателя: бензиновый поршневой, бензиновый роторный, дизельный, газотурбинный для авиации, газотурбинный для наземного использования, реактивный и прочие;

- от задач, выполняемых двигателями: работа в тяжелых городских условиях, спортивные гонки, работа в условиях Арктики и другие.

Выбор факторов влияет на:

- % образования и пофракционный состав водородосодержащих газов,

- конечное октановое число полученной смеси, значит, степень образования пирооксидных групп, которые являются причиной детонации, следовательно, на уменьшение величины возникновения детонации, в конечном итоге, позволит увеличить степень сжатия,

- устранение нежелательных явлений, таких как образование полимерных соединений, кокса и их оседание на стенках конструкции системы,

- скорость сгорания смеси (скорость распространения пламени),

- полноту сгорания топлива,

- снижение образования вредных соединений, например СО, NO₃ и других, без применения специальных фильтров - нейтрализаторов выхлопных газов,

- способность поддерживать все вышеперечисленные свойства топлива в условиях чрезвычайно низких температур воздуха и в широком диапазоне величин коэффициента избытка воздуха k_из.в = от 1.0 и до 2.80, что важно для авиационных двигателей. Таким образом, речь идет о соотношении, бензина и воздуха. Бензин берется за постоянную величину, а воздух за изменяемую. То есть 1 кг бензина и 14.7 кг воздуха это будет равно коэффициенту = 1. Коэффициент k_из.в≥3 это в 3 раза воздуха больше, чем бензина. Такой коэффициент выведен практически и взят из следующих соображений: в 14.7 кг воздуха, это примерно 11.5 кубометров, при содержании в нем 21% кислорода молекул кислорода – столько, сколько необходимо, чтобы окислить все количество молекул бензина, содержащихся в 1 кг (чуть более литра) бензина. Изменение соотношения хоть на немного ухудшает горение и экологию. Однако при k_из.в=0.8 смесь коптит, но при это хорошо воспламеняется на морозе, что используется при запуске двигателя коротковременно - несколько минут, коэффициент k_из.в=1.1, плохо горит быстрее и гаснет, но сгорает без остатка, это свойство используется на больших оборотах, при наличии в бензине водородосодержащих газов смесь хорошо горит при любом коэффициенте от 1 до 2.8,

- возможность применения некоторых других, различных видов жидкого топлива и их смесей (многотопливность),

- устранение разницы между требованиями к использованию специальных видов топлива - летнее, зимнее, арктическое, на основе спирта и др.

Ввиду того что вышеперечисленные эффекты очень желательны и являются одной из целей достижения данной разработкой, предлагаемый способ предполагает использование до нескольких факторов, способных разложить топливо, воздействующих на топливо одновременно (параллельно) или последовательно.

Следующим этапом подготовки топлива является его охлаждение и корректировка температуры с целью избежать непроизвольного воспламенения при соединении с воздухом, а также для создания стабильной и оптимальной температуры топливовоздушной смеси.

Параллельно подготовке топлива может производиться подготовка воздуха, так же как и топливо поэтапно либо одновременно. В подготовку воздуха могут входить такие этапы, как увлажнение, озонирование, обработка воздуха магнитными полями, например ТВЧ, введение химических веществ, например окислителей, либо других - в присутствии которых процессы сгорания топлива дают лучший экологический эффект.

После завершения подготовки топлива и воздуха вступает в действие первая фаза формирования непосредственно топливовоздушной смеси - это смешивание топлива, с содержанием в нем водородосодержащих газов, и воздуха с коэффициентом избытка воздуха k_из.в≥3.

Второй фазой является дообогащение топливовоздушной смеси до искомого коэффициента избытка воздуха k_из.в. Искомый коэффициент избытка воздуха k_из.в зависит от нагрузочного режима двигателя на конкретный момент времени и определяется электронной системой двигателя.

Так как получающаяся топливовоздушная смесь обладает высокими антидетонационными свойствами и способна хорошо гореть в достаточно большом диапазоне коэффициента избытка k_из.в, то рассматриваемым способом предполагается управлять нагрузками двигателя не только полнотой заполнения цилиндров, но и путем изменения самого коэффициента избытка воздуха k_из.в в широком диапазоне от 1.0 до 2.8. В связи с чем предлагаемый к рассмотрению способ предусматривает еще одну фазу либо несколько дополнительных фаз - дополнительное, оно же корректирующее, дообогащение смеси.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи и формирования топливовоздушной смеси для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Предложен способ формирования топливовоздушной смеси для ДВС, включающий следующие этапы: испарение топлива, получение водородосодержащих газов путем расщепления топлива, охлаждение и оптимизация температуры топлива, подготовка воздуха параллельно подготовке топлива, формирование топливовоздушной смеси смешиванием топлива, содержащего углеводородные газы, с воздухом, с коэффициентом избытка воздуха k_из.в≥3, дообогащение топливовоздушной смеси до искомого коэффициента избытка воздуха k_из.в = от 1,0 до 2,8, коррекция дообогащенной смеси, управление мощностными режимами ДВС путем изменения коэффициента избытка воздуха наряду с изменением величины коэффициента наполнения цилиндров. Технический результат – повышение степени сжатия, улучшение экономичности и экологичности ДВС, возможность применения различных видов топлива.

Способ формирования топливовоздушной смеси на двигателе внутреннего сгорания, включающий следующие этапы: испарение топлива, получение водородосодержащих газов путем расщепления топлива, охлаждение и оптимизация температуры топлива, подготовка воздуха параллельно подготовке топлива, непосредственное формирование топливовоздушной смеси, смешивание топлива, содержащего углеводородные газы, с воздухом, с коэффициентом избытка воздуха k_из.в≥3, дообогащение топливовоздушной смеси до искомого коэффициента избытка воздуха k_из.в = от 1,0 до 2,8, коррекция дообогащенной смеси, управление мощностными режимами двигателя путем изменения коэффициента избытка воздуха наряду с изменением величины коэффициента наполнения цилиндров.