ТОПЛИВНЫЙ ИНЖЕКТОР И ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2020 года по МПК F23R3/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к доставке газообразного топлива и работе двигателей внутреннего сгорания и более конкретно к устройству и способу работы двигателя внутреннего сгорания на разных типах топлива.

Уровень техники

Двигатели внутреннего сгорания хорошо известны и широко используются для приведения в движение транспортного средства, генерирования электрической энергии, для приведения в действие насосов и компрессоров и для всевозможных других применений. Горение практически любого горючего топлива создает определенные выбросы, и во многих случаях устранение или уменьшение относительных количеств таких выбросов является желательным. Дым в виде несгоревших углеводородов и частично сгоревших углеводородов является в целом нежелательным, особенно в населенных местах. Хорошо известно, что различные оксиды азота, вместе известные как NOx, способствуют возникновению смога и т.п. Значительные улучшения в технологии работы двигателя и его конструкции и улучшенные методы обработки выхлопов способствовали снижению выбросов и очищению воздуха за последние несколько десятилетий. Например, условия работы на так называемой обедненной смеси, при которых топливо сжигается с избытком кислорода против стехиометрии, и предварительное смешивание, при котором топливо и воздух смешиваются прежде, чем будут подвергнуты условиям воспламенения, показали преимущественное снижение определенных выбросов. Для управления выбросами и их эффективной оптимизации существуют пилотное топливо, формы камеры сгорания, сажевые фильтры, обработка выхлопов с помощью системы избирательной каталитической нейтрализации (SCR) и много других технологий.

Сопровождающийся повышенный интерес к снижению выбросов привел к повышенной доступности и стимулировал использование определенных типов топлива, которые традиционно не используются в двигателе внутреннего сгорания, таких как различные виды биодизеля, подвергнутое риформингу или бутилированное водородное топливо, спиртовое топливо, свалочный газ и газообразное топливо, полученное из биомассы. В случае по меньшей мере некоторых применений и конструкций двигателя, такое топливо может гореть со сниженными выбросами определенных типов, а также становится все более доступным в качестве замен для более традиционного топлива, такого как углеводороды нефтяного происхождения. Однако инженеры все чаще выясняют, что конструкции, компоненты и технологии работы двигателя могут иметь положительные эффекты и преимущества относительно определенных типов или классов топлива, но имеют более ограниченное применение или даже недостатки относительно других типов или классов топлива. Патент США № 8991187 за авторством Hughes и соавт. направлен на камеру сгорания с предсопловой системой впрыска обедненной топливной смеси. Hughes и соавт. предположительно раскрыли камеру сгорания, которая содержит топливные сопла и предсопловую систему впрыска обедненной топливной смеси, расположенную выше по потоку относительно топливных сопел для предварительного смешивания потоков топлива и воздуха. Несмотря на то, что Hughes и соавт. могут достичь своих намеченных целей, всегда существуют возможности для дальнейших улучшений.

Сущность изобретения

Согласно одному аспекту топливный инжектор содержит инжекторную головка, имеющую сопло, определяющее продольную ось и приспособленное для соединения по текучей среде с камерой сгорания в двигателе внутреннего сгорания, устройство предварительного смешивания, соединенное с соплом, и распределитель топлива, соединенный с устройством предварительного смешивания. Топливный инжектор дополнительно содержит несколько трубопроводов для доставки топлива, соединенных с инжекторной головкой. Устройство предварительного смешивания определяет несколько проточных каналов, каждый из которых проходит между расположенным выше по потоку концом, который образует отверстие в топливном инжекторе, приспособленное для приема воздуха, поступающего в топливный инжектор, и расположенным ниже по потоку концом. Устройство предварительного смешивания дополнительно имеет образованные в нем несколько проходов для снабжения топливом, расположенных таким образом, чтобы доставлять топливо в несколько проточных каналов, и скомпонованных в виде первого набора проходов, расположенного рядом с соответствующим расположенным выше по потоку концом, второго набора проходов, расположенного рядом с соответствующим расположенным ниже по потоку концом, и третьего набора проходов. Распределитель образует первый топливный канал, соединяющий по текучей среде первый из нескольких трубопроводов для доставки топлива с первым и третьим наборами проходов для снабжения топливом, и второй топливный канал, соединяющий по текучей среде второй из нескольких трубопроводов для доставки топлива со вторым набором проходов для снабжения топливом.

Согласно другому аспекту головка топливного инжектора в сборе содержит устройство предварительного смешивания, приспособленное для соединения с соплом и определяющее несколько проточных каналов, каждый из которых проходит между расположенным выше по потоку концом, который образует отверстие в головке топливного инжектора в сборе, приспособленное для приема воздуха, поступающего в головку топливного инжектора в сборе, и расположенным ниже по потоку концом. Устройство предварительного смешивания дополнительно имеет образованные в нем несколько проходов для снабжения топливом, расположенных таким образом, чтобы доставлять топливо в несколько каналов, и скомпонованных в виде первого набора проходов, расположенного рядом с соответствующим расположенным выше по потоку концом, второго набора проходов, расположенного рядом с соответствующим расположенным ниже по потоку концом, и третьего набора проходов. Узел дополнительно содержит распределитель, соединенный с устройством предварительного смешивания и имеющий несколько впусков для топлива, образованных в нем, при этом распределитель образует первый топливный канал, соединяющий по текучей среде первый из впусков для топлива с первым и третьим наборами проходов для снабжения топливом, и второй топливный канал, соединяющий по текучей среде второй из впусков для топлива со вторым набором проходов для снабжения топливом.

Согласно еще одному аспекту способ ступенчатой доставки топлива в двигатель внутреннего сгорания включает питание воздухом нескольких проточных каналов в устройстве предварительного смешивания топливного инжектора. Способ дополнительно включает впрыск первой доли газообразного топлива, подлежащего сжиганию в двигателе внутреннего сгорания, в расположенном выше по потоку месте в устройстве предварительного смешивания в поток воздуха, попадающий в несколько проточных каналов. Способ дополнительно включает впрыск второй доли газообразного топлива в расположенном ниже по потоку месте в устройстве предварительного смешивания в поток воздуха, смешанного с газообразным топливом, впрыснутым выше по потоку, и впрыск третьей доли газообразного топлива в третьем месте в устройстве предварительного смешивания, отличном от расположенного выше по потоку и расположенного ниже по потоку мест. Способ еще дополнительно включает направление смешанных воздуха и газообразного топлива, впрыснутых в расположенном выше по потоку, расположенном ниже по потоку и третьем местах, через сопло топливного инжектора и в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 представлен схематический вид сбоку в частичном разрезе части двигателя внутреннего сгорания согласно одному варианту осуществления;

на фиг. 2 представлен схематический вид топливного инжектора согласно одному варианту осуществления;

на фиг. 3 представлен схематический вид сбоку в разрезе части топливного инжектора по фиг. 2;

на фиг. 4 представлен вид в перспективе завихрителя, подходящего для использования в топливном инжекторе, согласно одному варианту осуществления;

на фиг. 5 представлен вид в разрезе завихрителя по фиг. 4;

на фиг. 6 представлен вид сзади распределителя, подходящего для использования в топливном инжекторе, согласно одному варианту осуществления; и

на фиг. 7 представлен вид спереди распределителя по фиг. 6.

Подробное описание

Обратимся к фиг. 1, на которой показан двигатель 10 внутреннего сгорания согласно одному варианту осуществления. Согласно стратегии практической реализации двигатель 10 включает газотурбинный двигатель, имеющий корпус или герметическую обшивку 12, камеру 14 сгорания и вал 16, вращающийся внутри герметической обшивки 12. Вращающиеся компоненты в виде компрессора и турбины могут быть соединены таким образом, чтобы вращаться вместе с валом 16 в целом традиционным образом. Еще одни компоненты, известные специалистам в данной области техники, такие как зубчатая передача или коробка передач, один или более приводных валов, соединенных с насосом, компрессор, стойка или ходовая часть транспортного средства, могут приводиться в движение благодаря вращению вала 16 традиционным образом. Двигатель 10 дополнительно содержит топливную систему 18, которая содержит несколько источников 20, 22 и 24 разного топлива, которые могут содержать, в качестве примера, несколько разных типов топлива, включая топливо с низким значением БТЕ (британской тепловой единицы) или с низкой теплотой сгорания, топливо с высоким значением БТЕ или с высокой теплотой сгорания и топливо со средним значением БТЕ или со средней теплотой сгорания соответственно. Термины «теплота сгорания» и «теплотворная способность» используются в целом взаимозаменяемо в настоящем документе. Каждый из типов топлива может представлять собой газообразное топливо или топливо, хранящееся в жидком состоянии, но которое может быть преобразовано в газообразное состояние для использования в двигателе 10. Оборудование для преобразования жидкого топлива в газообразное состояние может быть частью топливной системы 18 в определенных вариантах осуществления. В еще одних случаях двигатель 10 может быть также оснащен преобразователем или т.п. с целью создания водородного и/или богатого водородом топлива для использования в двигателе 10.

Примерное топливо с высоким значением БТЕ согласно настоящему изобретению может включать природный газ, имеющий число Воббе, составляющее приблизительно 1000 БТЕ / стандартный кубический фут или больше, тогда как примерное топливо со средним значением БТЕ может представлять собой свалочный газ, имеющий число Воббе, составляющее приблизительно 500 БТЕ / стандартный кубический фут, и примерное топливо с низким значением БТЕ может представлять собой газообразное топливо, полученное из биомассы, которое содержит монооксид углерода, и является относительно богатым водородом, и имеет число Воббе, составляющее приблизительно 200 БТЕ / стандартный кубический фут или же меньше. Следует понимать, что в контексте настоящего документа относительные термины, такие как «более высокий», или «более низкий», или «средний» следует рассматривать со ссылкой друг на друга. Таким образом, газообразное топливо может считаться топливом со «средней» теплотворной способностью относительно первого топлива, но может считаться топливом с «более высокой» теплотворной способностью относительно второго топлива. Топливная система 18 дополнительно содержит один или более топливных инжекторов 26, соединенных с камерой 14 сгорания в двигателе 10 в целом традиционным образом. Согласно стратегии практической реализации двигатель 10 содержит несколько идентичных топливных инжекторов, таким образом, следует понимать, что описание в настоящем документе одного топливного инжектора 26 применимо аналогично к любому из нескольких топливных инжекторов, которые могут быть частью топливной системы 18. По причинам, которые будут дополнительно понятны из следующего описания, топливная система 18 уникальным образом приспособлена для работы с топливом с широким диапазоном теплотворной способности, другими словами, топливом с диапазоном чисел Воббе, и для беспрепятственного перехода от работы на одном типе топлива к работе на другом типе топлива. Широкая применимость настоящего изобретения в работе с разными типами топлива может быть доступна во многих случаях в целом без существенного ухудшения в плане выбросов и подходит для стратегий сухого сжигания обедненной смеси, как дополнительно описано в настоящем документе.

Обратимся также к фиг. 2, на которой топливная система 18 дополнительно содержит механизм 32 управления потоком топлива, подсоединенный между источниками 20, 22 и 24 топлива и топливным инжектором 26 и приспособленный для соединения по текучей среде каждого из источников 20, 22 и 24 топлива с топливным инжектором 26, чтобы двигатель 10 работал на соответствующем топливе. Согласно стратегии практической реализации топливный инжектор 26 содержит корпус 27 инжектора, частями которого являются инжекторная головка 28 и тело 30 инжектора. Инжекторная головка 28 приспособлена для соединения с камерой 14 сгорания. Как дополнительно описано в настоящем документе, инжекторная головка 28 приспособлена для транспортировки смеси, содержащей воздух и один из типов газообразного топлива, с которым он подается, в любое заданное время в камеру 14 сгорания. На фиг. 1 сплошными стрелками в целом изображен поток газообразного топлива, тогда как пустыми стрелками в целом изображен поступающий воздух. Можно отметить, что воздух, например, сжатый воздух, подаваемый из компрессора двигателя 10, показан как протекающий в инжекторную головку 28 с нескольких разных направлений, и он начинает смешиваться с газообразным топливом в инжекторной головке 28 перед доставкой в пространство, где происходит горение, внутри камеры 14 сгорания.

Как отмечалось выше, механизм 32 может быть предоставлен таким образом, чтобы обеспечивать подачу разных типов топлива из нескольких типов топлива в топливный инжектор 26 для доставки в камеру 14 сгорания. С этой целью механизм 32 может содержать любое разнообразие различных конструкций клапана и корпуса клапана, исполнительных механизмов и другого известного оборудования, которое обеспечивает переключение одного поступающего потока газообразного топлива на другой поступающий поток газообразного топлива для переключения работы двигателя 10 между тремя или более разными типами топлива. Специалистам в данной области техники будет понятно желание иметь возможность переключения между несколькими типами топлива, но используя при этом один и тот же топливный инжектор (одни и те же топливные инжекторы) и не жертвуя эффективностью. Согласно стратегии практической реализации тело 30 инжектора содержит несколько трубопроводов для подачи топлива, соединенных с инжекторной головкой 28 и, в частности, соединяющих по текучей среде источники 20, 22 и 24 топлива с каждым из узла основного впрыска топлива и узла пилотного впрыска топлива инжектора 28, как дополнительно описано ниже. В проиллюстрированном варианте осуществления несколько трубопроводов для подачи топлива содержат первый трубопровод 36 для подачи топлива, имеющий первый топливный тракт 37, образованный в нем, второй трубопровод 38 для подачи топлива, имеющий второй топливный тракт (не видно на фиг. 1), образованный в нем, третий трубопровод 40 для подачи топлива, имеющий третий топливный тракт 41 и четвертый топливный тракт 43, образованные в нем, и четвертый трубопровод 42 для подачи топлива, также имеющий топливный тракт, образованный в нем, который не видно на виде в разрезе по фиг. 1.

Согласно стратегии практической реализации топливные тракты 41 и 43 приспособлены для соединения по текучей среде с первым из источников 22, 20 и 24 топлива и вторым из источников 22, 20 и 24 топлива соответственно. Когда двигатель 10 работает на первом газообразном топливе, один из топливных трактов 41 и 43 может быть использован для подачи топлива на узел пилотного впрыска инжекторной головки 28, и, когда двигатель 10 работает на втором газообразном топливе, другой из топливных трактов 41 и 43 может быть использован. Другие трубопроводы 36, и 38, и 42 для подачи топлива, как правило, используются для подачи топлива на узел основного впрыска топлива инжекторной головки 28, как дополнительно описано в настоящем документе. На фиг. 1 и фиг. 2 также проиллюстрированы определенные другие компоненты инжектора 26, включая основной блок 34, оснащенный ручками или т.п., приспособленный для соединения инжектора 26 с герметической обшивкой 12.

Обратимся также к фиг. 3, на которой показан вид в разрезе инжекторной головки 28, на котором более подробно проиллюстрированы компоненты инжектора 26. Как упомянуто выше, инжекторная головка 28 может содержать узел 46 основного впрыска топлива и узел 103 пилотного впрыска топлива. Узел 46 основного впрыска топлива приспособлен для предоставления основного потока воздуха и одного из нескольких разных типов топлива из источников 20, 22 и 24 топлива и может содержать устройство 48 предварительного смешивания в виде завихрителя, приспособленного для завихрения смеси, содержащей топливо и воздух, для доставки в камеру 14 сгорания, как дополнительно описано в настоящем документе. Устройство 48 предварительного смешивания может содержать передний конец 49, который обращен к камере 14 сгорания, и задний конец 51. Устройство 48 предварительного смешивания дополнительно содержит несколько проточных каналов 50, приспособленных для приема поступающего воздуха, и несколько наборов проходов 58, 60 и 66 для снабжения топливом, находящихся в сообщении по текучей среде с проточными каналами 50 и каждый из которых приспособлен для соединения по текучей среде с по меньшей мере одним из нескольких источников 20, 22 и 24 разного топлива.

Узел 103 пилотного впрыска топлива приспособлен для предоставления пилотного потока воздуха и одного из нескольких разных типов топлива и содержит несколько впусков 108 и 109 для топлива, каждый из которых приспособлен для соединения по текучей среде с по меньшей мере одним, но, как правило, только одним из источников 20, 22 и 24 топлива. Узел 103 пилотного впрыска топлива также содержит выпуск 119 для впрыска, соединенный по текучей среде с каждым из впусков 108 и 109 для топлива, и впуск 122 для воздуха, соединенный по текучей среде с выпуском 119 для впрыска. Как дополнительно описано в настоящем документе, следует понимать, что все проходы 58, 60 и 66 для снабжения топливом могут быть одновременно соединены по текучей среде с одним и тем же из источников 20, 22 и 24 топлива, или только некоторые из проходов 58, 60 и 66 могут быть одновременно соединены по текучей среде с одним и тем же из источников 20, 22 и 24 топлива. Рассматриваются и другие комбинации распределения, как дополнительно обсуждено в настоящем документе. Выпуск 119 для впрыска может считаться проходом для снабжения топливом по меньшей мере в определенных случаях. Как правило, только один из топливных трактов 41 и 43 будет транспортировать топливо в узел 103 пилотного впрыска в любое заданное время, хотя настоящее изобретение этим строго не ограничивается.

Как будет дополнительно понятно из следующего описания, предполагается, что несколько наборов проходов для снабжения топливом и средства для выборочного соединения по текучей среде некоторых проходов для снабжения топливом вместе или по отдельности с любым из источников 20, 22 и 24 топлива способствуют тому, чтобы инжектор 26 подходил для разных типов топлива, поскольку такие факторы, как расход топлива, места доставки топлива, препятствование обратному удару пламени и обеспечение установленного падения давления в инжекторе 26, могут быть достигнуты для любого из нескольких разных типов топлива, имеющих диапазон теплотворной способности. Рассматриваются примеры работы, в которых двигатель 10 работает некоторое время на первом топливе, при этом первое топливо доставляется только через определенные проходы для снабжения топливом, а затем двигатель 10 работает некоторое время на втором топливе, при этом второе топливо доставляется через другие или все проходы для снабжения топливом.

Согласно одной стратегии практической реализации узел 103 пилотного впрыска топлива содержит трубку в сборе, и определяет продольную ось 200, и расположен по меньшей мере частично в устройстве 48 предварительного смешивания. Проточные каналы 50 могут быть расположены по окружности вокруг продольной оси 200 и радиально снаружи узла 103 пилотного впрыска. Более конкретно, топливный инжектор 26 может содержать цилиндр 90 для предварительного смешивания, и узел 103 пилотного впрыска может быть расположен по меньшей мере частично в цилиндре 90 для предварительного смешивания и содержит наружный трубчатый элемент 104 и внутренний трубчатый элемент 106. Можно отметить, что цилиндр для предварительного смешивания плавно сужается и способствует минимизации или устранению зон рециркуляции путем обеспечения ускорения потока в направлении камеры 14 сгорания. Конструкция профильного цилиндра, среди прочих признаков инжектора 26, обеспечивает работу на богатом водородом топливе без значительного риска обратного удара пламени.

Внутренний трубчатый элемент 106 определяет первый топливный тракт 110, проходящий между впуском 109 для топлива и выпуском 119 для впрыска. Второй топливный тракт 111 образован между внутренним трубчатым элементом 106 и наружным трубчатым элементом 104 и проходит между впуском 108 для топлива и выпуском 119 для впрыска. Согласно стратегии практической реализации топливный тракт 41 питает впуск 108 для топлива, и топливный тракт 43 питает впуск 109 для топлива. Узел 103 пилотного впрыска, более конкретно его трубка в сборе, дополнительно содержит часть 118 в виде наконечника, соединенную с наружным трубчатым элементом 106 и поддерживающую трубку в сборе внутри цилиндра 90, и часть 118 в виде держателя, поддерживающую внутренний трубчатый элемент 106 внутри наружного трубчатого элемента 104. Камера 126 наконечника может быть образована частично частью 118 в виде наконечника и частично внутренним трубчатым элементом 106 и приспособлена для питания выпуска 119 для впрыска пилотным потоком воздуха и топлива. Трубопровод 100 для питания воздухом образован между цилиндром 90 для предварительного смешивания и наружным трубчатым элементом 104. Одно или более отверстий 122 для питания воздухом, образованных в части 118 в виде наконечника, как отмечалось выше, служат в качестве впусков для воздуха, которые соединяют по текучей среде трубопровод 100 с камерой 126. Согласно стратегии практической реализации часть 118 в виде наконечника также имеет несколько отверстий 120 для охлаждающего воздуха, образованных в ней, которые транспортируют воздух из трубопровода 100 к наконечнику (не пронумерован) цилиндра 90 и к выпуску 119 для впрыска, обеспечивая таким образом воздушное охлаждение более отдаленных частей узла 103 пилотного впрыска, а также цилиндра 90. Часть 116 в виде держателя имеет несколько отверстий 124 для питания топливом, подаваемым из второго топливного тракта 111 в камеру 126. Выпуск 114 для топлива, образованный во внутреннем трубчатом элементе 106, подает топливо из тракта 110 в камеру 126. Можно отметить, что охлаждающий воздух предоставляется для смешивания с топливом независимо от того, подается топливо по тракту 110 или тракту 111. Согласно стратегии практической реализации вторым трактом 111 может быть обеспечена относительно большая площадь поперечного сечения потока для топлива, чем первым трактом 110. Работа двигателя на топливе с относительно более низкой теплотворной способностью обычно требует относительно большего расхода топлива из-за сниженной плотности энергии. Например, когда двигатель 10 работает на богатом водородом топливе, полученном из биомассы, пилотный впрыск топлива может включать доставку топлива по тракту 111, тогда как, когда двигатель 10 работает на природном газу, пилотный впрыск топлива может включать доставку топлива по тракту 110. Можно отметить, что внутренний трубчатый элемент 106, наружный трубчатый элемент 104 и цилиндр 90 для предварительного смешивания расположены соосно на изображении по фиг. 3, хотя настоящее изобретение этим строго не ограничивается.

Как отмечалось выше, устройство 48 предварительного смешивания содержит проточные каналы 50. Согласно стратегии практической реализации проточные каналы 50 могут быть образованы несколькими направляющими поток конструкциями 52. Геометрия направляющих поток конструкций может отличаться от показанной в проиллюстрированных вариантах осуществления. Обратимся также к фиг. 4 и фиг. 5, на которых конструкции 50 могут иметь форму лопаток в одном варианте осуществления, которые распределены по окружности вокруг продольной оси 200 и имеют такую форму и ориентированы таким образом, что каждый из проточных каналов 50 проходит радиально внутрь к цилиндру 90. Каждый из проточных каналов 50 также проходит между расположенным выше по потоку концом 51 и расположенным ниже по потоку концом 53 и может быть ориентирован таким образом, что расположенные выше по потоку концы 51 расположены радиально снаружи, и расположенные ниже по потоку концы 53 расположены радиально внутри. Расположенные выше по потоку концы 51 образуют отверстия в топливном инжекторе 26, который приспособлен для приема воздуха, поступающего в инжектор 26, и расположенные ниже по потоку концы 53 приспособлены для транспортировки смеси, содержащей воздух и впрыскиваемое топливо, в тракт 98 для транспортировки в камеру 14 сгорания. Как отмечалось выше, устройство 48 предварительного смешивания может содержать несколько проходов для снабжения топливом, расположенных таким образом, чтобы доставлять топливо в проточные каналы 50. Согласно стратегии практической реализации несколько проходов для снабжения топливом скомпонованы в виде первого набора 58 проходов для снабжения топливом, расположенного таким образом, что каждый из них находится рядом с соответствующим расположенным выше по потоку концом 51. Второй набор 60 проходов для снабжения топливом расположен рядом с соответствующим расположенным ниже по потоку концом 53. Устройство 48 предварительного смешивания может содержать основание 47, и каждый из наборов 58 и 60 проходов может быть образован в основании 47. Предоставлен третий набор 66 проходов для снабжения топливом, и он может быть образован в конструкциях 50 и расположен с возможностью пропускания текучей среды между соответствующими расположенными выше по потоку концами 51 и расположенными ниже по потоку концами 53 или потенциально на одном и том же радиальном расстоянии от оси 200, что и проходы 58. Следует понимать, что в контексте настоящего документа термины «первый», «второй» и «третий» не используются в ограничительном смысле, а используются только для упрощения описания. Таким образом, в целях описания набор 58 проходов может считаться первым, набор 66 проходов может считаться вторым, и набор 60 проходов — третьим, или может использоваться любая другая комбинация первого, второго и третьего для этих трех наборов проходов.

Согласно стратегии практической реализации проходы 58 для снабжения топливом могут содержать единичные отверстия, расположенные на постоянном расстоянии по окружности относительно продольной оси 200 и имеющие окружное распределение вокруг продольной оси 200 в местах, находящихся радиально снаружи, чтобы впрыскивать топливо непосредственно в поступающие потоки воздуха, попадающие в каналы 50. Проходы 60 могут также содержать единичные отверстия, аналогичные расположенным и имеющие окружное распределение в местах, находящихся радиально внутри. Согласно стратегии практической реализации и как можно заметить, проходы 66 могут быть образованы в конструкциях 52, и расположены на постоянном расстоянии по окружности относительно продольной оси 200, и иметь равномерное окружное разнесение между отдельными группами проходов в каждой конструкции 50, и иметь осевые распределения в каждой отдельной группе. Также на фиг. 4 показаны отверстия 54 под болты, образованные в каждой из лопаток 52, которые могут быть использованы для соединения сопла 44 с устройством 48 предварительного смешивания, которое определяет отверстие 45 сопла, приспособленное для соединения по текучей среде с камерой 14 сгорания. Сопло 44 может быть расположено соосно с узлом 103 пилотного впрыска, таким образом, сопло 44 или отверстие 45 сопла можно представлять как определяющие ось 200. На фиг. 4 наилучшим образом проиллюстрированы проходы 58 для снабжения топливом, открывающиеся на задней стороне 51 устройства 48 предварительного смешивания, и отверстия 64 для питания топливом, которые транспортируют топливо в проходы 66 для снабжения топливом. Согласно стратегии практической реализации каждый из наборов 58, 60 и 66 может иметь разную общую площадь поперечного сечения потока. Согласно дополнительной стратегии практической реализации общая площадь поперечного сечения потока проходов 66 может превышать общую площадь поперечного сечения потока любого из проходов 58 или проходов 60, и общая площадь поперечного сечения потока проходов 58 может превышать общую площадь поперечного сечения потока проходов 60. Относительная площадь поперечного сечения потока и размеры и количество проходов могут быть основаны на различных факторах, включая желаемое падения давления в инжекторе 26. Как упоминалось выше, в целом большая общая площадь поперечного сечения потока предоставляется для топлива с более низкой теплотворной способностью, и меньшая общая площадь поперечного сечения потока предоставляется для топлива с более высокой теплотворной способностью. Способ, которым различные проходы для снабжения топливом предоставляются для различных схем доставки топлива, будет дополнительно понятен из следующего описания.

Обратимся также к фиг. 6 и фиг. 7, на них показаны виды сзади и спереди распределителя 70 топливного инжектора 26. На фиг. 3 можно видеть, что распределитель 70 соединяется с устройством 48 предварительного смешивания и с узлом 103 пилотного впрыска. Можно дополнительно отметить, что распределитель 70 образует первый топливный канал 62, соединяющий по текучей среде первый из трубопроводов 36, 38, 40 и 42 для подачи топлива с набором 58 и 66 проходов для снабжения топливом, и второй топливный канал 68, соединяющий по текучей среде второй из трубопроводов 36, 38, 40 и 42 для подачи топлива с набором 60 проходов для снабжения топливом. Согласно стратегии практической реализации несколько трубопроводов для подачи топлива могут питать первый топливный канал 62, и, таким образом, оба трубопровода 36 и 40, например, могут служить в качестве трубопроводов для основного впрыска топлива, которые питают канал 62. Хоть это и не видно на фиг. 3, трубопровод 42 может питать второй топливный канал 68. На фиг. 7 можно видеть, что наружная канавка 72 образована в распределителе 70 и окружает продольную ось 200, которая проходит через центральное отверстие 78 распределителя 70. Наружная канавка 72 по меньшей мере частично образует топливный канал 62, так что топливо, транспортируемое в распределитель 70 из любого из источников 20, 22 и 24 топлива, может в целом равномерно подаваться в проходы 58 и в отверстия 64 для питания топливом. Распределитель 70 может дополнительно содержать внутреннюю канавку 74, которая также окружает продольную ось 200 и по меньшей мере частично образует топливный канал 68, так что топливо, транспортируемое в распределитель 70 из любого из источников 20, 22 и 24 топлива, может в целом равномерно подаваться в проходы 60. Центральное отверстие 78 может быть соединено с одним из трубопроводов для подачи топлива, который питает топливом узел 103 пилотного впрыска. Второе отверстие 80 и третье отверстие 82 приспособлены для соединения с трубопроводами для подачи топлива, которые питают первый топливный канал 62, и их вмещения. Четвертое отверстие 84 соединяется с трубопроводом для подачи топлива, который питает второй топливный канал 68, и вмещает его. Как отмечалось выше, регулировка положения клапана внутри механизма 32, например, может менять тип топлива, которое подается на один из трубопроводов для подачи топлива, так что разные типы топлива транспортируются через общий трубопровод для подачи топлива в разное время. Несколько впусков 76 для воздуха расположены по окружности вокруг центрального отверстия 76 в проиллюстрированном варианте осуществления и питают воздухом тракт 100. Как было предложено выше, отверстия 80 и 82 могут быть предназначены для вмещения трубопроводов для подачи топлива, обеспечивающих основное первичное питание, и отверстие 84 может быть предназначено для вмещения трубопровода для подачи топлива, обеспечивающего основное вторичное питание. Трубопроводы для подачи топлива и топливные тракты, которые не используются для доставки топлива в какое-либо заданное время, могут продуваться продувочным газом, таким как азот или нагнетаемый компрессором воздух.

Разница в размере и количестве отверстий, питающих соответствующие каналы, основана по меньшей мере частично на желании того, чтобы они соответствовали разным размеру и количеству трубопроводов для подачи топлива, чтобы соответствовать разному расходу топлива с разной теплотворной способностью, как описано в настоящем документе. Топливо с относительно более низкой теплотворной способностью может подаваться через каждое из отверстий 80 и 82 в первый топливный канал 62, а также через отверстие 84 во второй топливный канал 68 и через отверстие 78 в один из топливных трактов 41 и 43, который питает узел 103 пилотного впрыска. Топливо со средней теплотворной способностью может подаваться только через отверстия 80, 82 и 78. Топливо с относительно более высокой теплотворной способностью может подаваться только через отверстия 84 и 78. Таким образом, можно понять, что топливо с более низкой теплотворной способностью или более низким числом Воббе может быть впрыснуто через все доступные проходы для снабжения топливом, топливо со средней теплотворной способностью или средним числом Воббе может подаваться через некоторые, но не все доступные проходы для снабжения топливом, и топливо с более высокой теплотворной способностью может подаваться через еще меньшее количество проходов для снабжения топливом. Эта гибкость, связанная с исходным топливом, может быть достигнута без простоя двигателя или ухудшения в плане эффективности или выбросов и будет дополнительно понятна на примере принципа работы, обсужденного ниже.

Промышленная применимость

Обратимся в широком смысле к графическим материалам, на которых работа двигателя 10 согласно одной стратегии может включать ступенчатое снабжение топливом двигателя 10 путем впрыска первого газообразного топлива, такого как топливо, полученное из биомассы, со сверхнизким числом Воббе, в поступающий поток воздуха через топливный инжектор 26 в первый момент времени, и транспортировки смеси первого газообразного топлива и воздуха в камеру 14 сгорания, чтобы двигатель 10 работал на первом газообразном топливе. В этом случае один из нескольких источников разного топлива, такой как источник 20 топлива, может быть соединен по текучей среде с помощью механизма 32, например, с первым топливным каналом 62, а также со вторым топливным каналом 68. Следовательно, впрыск первого газообразного топлива может происходить через проходы 58, проходы 60 и проходы 66. В целях настоящего описания проходы 58 и 66 могут считаться первым набором проходов для снабжения топливом, и проходы 66 могут считаться вторым набором проходов для снабжения топливом. Проход 119 для впрыска может считаться третьим набором. Первое газообразное топливо непрерывно протекает в инжектор 26 и смешивается в инжекторной головке 28 с воздухом, как описано в настоящем документе, и оттуда транспортируется в камеру 14 сгорания. Воздух может представлять собой сжатый воздух, подаваемый из компрессора, например, в газотурбинный двигатель.

Поскольку проходы для снабжения топливом, через которые доставляется первое газообразное топливо, могут находиться в устройстве 48 предварительного смешивания, поступающий поток воздуха и впрыскиваемое топливо могут быть завихрены путем взаимодействия с конструкциями/лопатками 52. В целом, завихряющее действие будет обеспечиваться вне зависимости от того, какая смесь воздуха и топлива в настоящее время используется, хотя можно понять, что динамика потока и характер движения потока топлива могут слегка отличаться в зависимости от места доставки топлива. Параллельно с впрыском первого газообразного топлива через проходы для снабжения топливом в устройство 48 предварительного смешивания то же самое первое газообразное топливо может подаваться в узел 103 пилотного впрыска. Как упомянуто выше, топливо с более низкой теплотворной способностью может подаваться по тракту 100, тогда как топливо с более высокой теплотворной способностью может подаваться по тракту 110. Как обсуждено выше, расход газообразного топлива может быть таким, что смесь воздуха и топлива, доставляемых в камеру 14 сгорания, является стехиометрически обедненной. Сжигание может быть сухим в том смысле, что впрыск воды для снижения температуры горения не применяется.

Когда необходимо переключить типы топлива, механизм 32 может быть приведен в действие таким образом, чтобы менять соединения по текучей среде между источниками 20, 22 и 24 топлива и трубопроводами 36, 38, 40, 42 для подачи топлива должным образом, чтобы инициировать протекание второго газообразного топлива в узел 46 основного впрыска топлива и узел 103 пилотного впрыска топлива. Второе газообразное топливо может включать топливо с более высокой теплотворной способностью, например, которое может быть впрыснуто согласно второй схеме доставки топлива в поступающий поток воздуха через топливный инжектор 26 во второй момент времени, и может быть осуществлена транспортировка смеси второго газообразного топлива и воздуха в камеру сгорания, чтобы двигатель 10 работал на втором газообразном топливе. В первом случае впрыск первого газообразного топлива может включать впрыск первого газообразного топлива через несколько проходов для снабжения топливом, таких как наборы 58 и 66 проходов, имеющих относительно большую общую площадь поперечного сечения потока. Во втором случае впрыск второго газообразного топлива может включать впрыск второго газообразного топлива через несколько проходов для снабжения топливом, таких как набор 60 проходов. Доставка топлива в любом случае может включать доставку газообразного топлива для пилотного впрыска топлива в узел 103 пилотного впрыска, таким образом, выпуск 96 для впрыска может считаться проходом для снабжения топливом в целях разделения первого газообразного топлива и разделения второго газообразного топлива для впрыска среди нескольких наборов проходов для снабжения топливом. В более поздние моменты времени двигатель 10 может быть переключен обратно на работу на первом газообразном топливе или переведен на работу на третьем газообразном топливе.

Из вышеприведенного описания будет понятно, что двигатель 10 оснащен таким образом, чтобы работать с одним типом топливного инжектора на различных типах топлива, включая богатое водородом топливо. Предыдущие конструкции, как правило, специально созданы для работы на одном типе топлива или по меньшей мере типах топлива с относительно узким диапазоном чисел Воббе. В настоящем изобретении расположение места доставки/впрыска топлива, размер проходов для снабжения топливом, а также другие факторы обеспечивают такую гибкость. Предполагается, что операция сухого сжигания предварительно смешанной обедненной смеси без риска обратного удара пламени и без ухудшения в плане выбросов возможна для топлива, имеющего число Воббе, составляющее приблизительно 200 БТЕ / стандартный кубический фут или возможно меньше и вплоть до приблизительно 1500 БТЕ / стандартный кубический фут или больше.

Настоящее описание приведено исключительно в иллюстративных целях и не должно толковаться как ограничивающее каким-либо образом объем настоящего изобретения. Таким образом, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные модификации могут быть выполнены в отношении раскрытых в настоящем документе вариантов осуществления без отступления от полного и точного объема и сущности настоящего изобретения. Другие аспекты, признаки и преимущества будут понятны после рассмотрения прилагаемых графических материалов и прилагаемой формулы изобретения.

Топливный инжектор (26) для двигателя (10) внутреннего сгорания содержит инжекторную головку (28), содержащую сопло (44), устройство (48) предварительного смешивания и распределитель (70), приспособленный для распределения нескольких разных типов топлива в разные наборы проходов (58, 60, 66) для снабжения топливом в устройстве (48) предварительного смешивания. Узел (103) пилотного впрыска топливного инжектора (26) соединен с устройством (48) предварительного смешивания и содержит первый тракт (110) снабжения топливом для первого топлива и второй тракт (111) снабжения топливом для второго топлива. Несколько наборов проходов (58, 60, 66) для снабжения топливом расположены в топливном инжекторе (26), при этом наборы (58, 60, 66) проходов для снабжения топливом выборочно соединяются с несколькими источниками (20, 22, 24) разного топлива, и как одни, так и другие имеют такие расположение и размер, чтобы соответствовать широкому диапазону расхода топлива для обеспечения работы двигателя (10) внутреннего сгорания, соединенного с топливным инжектором (26), на топливе, имеющем диапазон чисел Воббе и составов. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Топливный инжектор (26) для двигателя (10) внутреннего сгорания, содержащий:

корпус (27) инжектора, содержащий инжекторную головку (28), имеющую сопло (44), приспособленное для соединения по текучей среде с камерой (14) сгорания в двигателе (10) внутреннего сгорания, устройство (48) предварительного смешивания, соединенное с соплом (44), и узел (103) пилотного впрыска;

при этом устройство (48) предварительного смешивания содержит несколько проточных каналов (50), приспособленных для приема поступающего воздуха, и несколько наборов проходов (58, 60, 66) для снабжения топливом, находящихся в сообщении по текучей среде с проточными каналами (50) и каждый из которых приспособлен для соединения по текучей среде с по меньшей мере одним из нескольких источников (22, 24, 26) разного топлива, так что устройство (48) предварительного смешивания предоставляет основной поток, содержащий смесь воздуха и одного из нескольких разных типов топлива, для доставки в камеру (14) сгорания; и

при этом узел (103) пилотного впрыска содержит несколько впусков (108, 109) для топлива, каждый из которых приспособлен для соединения по текучей среде с одним отдельным из нескольких источников (22, 24, 26) разного топлива, выпуск (119) для впрыска, соединенный по текучей среде с каждым из нескольких впусков (108, 109) для топлива, и впуск (122) для воздуха, соединенный по текучей среде с выпуском (119) для впрыска, так что узел (103) пилотного впрыска предоставляет пилотный поток, содержащий смесь воздуха и одного из нескольких разных типов топлива, для доставки в камеру (14) сгорания.

2. Топливный инжектор (26) по п. 1, отличающийся тем, что узел (103) пилотного впрыска определяет продольную ось и расположен по меньшей мере частично в устройстве (48) предварительного смешивания, и несколько проточных каналов (50) расположены по окружности вокруг продольной оси и радиально снаружи узла (103) пилотного впрыска.

3. Топливный инжектор (26) по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит цилиндр (90) для предварительного смешивания, и при этом узел (103) пилотного впрыска содержит трубку в сборе (104, 106), расположенную по меньшей мере частично в цилиндре (90) для предварительного смешивания и содержащую наружный трубчатый элемент (104) и внутренний трубчатый элемент (106);

при этом внутренний трубчатый элемент (106) определяет первый топливный тракт (110), проходящий между первым из нескольких впусков (109) для топлива и выпуском (119) для впрыска, и второй топливный тракт (111) образован между внутренним трубчатым элементом (106) и наружным трубчатым элементом (104) и проходит между вторым из нескольких впусков (108) для топлива и выпуском (119) для впрыска.

4. Топливный инжектор (26) по п. 3, отличающийся тем, что трубка в сборе (104, 106) дополнительно содержит часть (118) в виде наконечника, соединенную с наружным трубчатым элементом (104) и поддерживающую трубку в сборе (104, 106) внутри цилиндра (90) для предварительного смешивания, и часть (116) в виде держателя, поддерживающую внутренний трубчатый элемент (106) внутри наружного трубчатого элемента (104);

при этом камера (126) наконечника образована частично частью (118) в виде наконечника и частично внутренним трубчатым элементом (106) и приспособлена для питания пилотным потоком выпуска (119) для впрыска;

при этом трубопровод (100) для питания воздухом образован между цилиндром (90) для предварительного смешивания и наружным трубчатым элементом (104);

при этом часть (118) в виде наконечника имеет несколько образованных в ней отверстий (120) для питания воздухом, подаваемым из трубопровода (100) для питания воздухом в камеру (126) наконечника, и часть (116) в виде держателя имеет несколько образованных в ней отверстий (124) для питания топливом, подаваемым из второго топливного тракта (111) в камеру (126) наконечника.

5. Топливный инжектор (26) по п. 3, отличающийся тем, что внутренний трубчатый элемент (106), наружный трубчатый элемент (104) и цилиндр (90) для предварительного смешивания расположены соосно;

при этом топливный инжектор (26) дополнительно содержит тело (30) инжектора, содержащее несколько трубопроводов (36, 38, 40) для подачи топлива, соединенных с инжекторной головкой (28).

6. Топливная система (18), содержащая:

несколько источников (20, 22, 24) разного топлива;

топливный инжектор (26), приспособленный для соединения с камерой (14) сгорания в двигателе (10) внутреннего сгорания и имеющий инжекторную головку (28), которая содержит узел (46) основного впрыска топлива и узел (103) пилотного впрыска топлива;

при этом узел (46) основного впрыска топлива содержит устройство (48) предварительного смешивания, содержащее несколько проточных каналов (50), приспособленных для приема поступающего воздуха, и несколько наборов проходов (58, 60, 66) для снабжения топливом, находящихся в сообщении по текучей среде с проточными каналами (50) и каждый из которых приспособлен для соединения по текучей среде с по меньшей мере одним из нескольких источников (20, 22, 24) разного топлива; и

при этом узел (103) пилотного впрыска топлива содержит несколько впусков (108, 109) для топлива, каждый из которых приспособлен для соединения по текучей среде с по меньшей мере одним из нескольких источников (20, 22, 24) разного топлива, выпуск (119) для впрыска, соединенный по текучей среде с каждым из нескольких впусков (108, 109) для топлива, и впуск (122) для воздуха, соединенный по текучей среде с выпуском (119) для впрыска.

7. Топливная система (18) по п. 6, отличающаяся тем, что узел (103) пилотного впрыска определяет продольную ось и расположен по меньшей мере частично в устройстве (48) предварительного смешивания, и несколько проточных каналов (50) расположены по окружности вокруг продольной оси и радиально снаружи узла (103) пилотного впрыска;

при этом узел (103) пилотного впрыска содержит трубку в сборе (104, 106), имеющую внутренний трубчатый элемент (106), который определяет первый топливный тракт (110), проходящий между первым из нескольких впусков (108) для топлива и выпуском (119) для впрыска, и наружный трубчатый элемент (104), и второй топливный тракт (111) образован между внутренним трубчатым элементом (106) и наружным трубчатым элементом (104) и проходит между вторым из нескольких впусков (109) для топлива и выпуском (119) для впрыска.

8. Топливная система (18) по п. 6, отличающаяся тем, что топливный инжектор (26) содержит тело (30), имеющее несколько трубопроводов (36, 38, 40) для подачи топлива, соединяющих по текучей среде несколько источников (20, 22, 24) топлива с узлом (46) основного впрыска топлива и с узлом (103) пилотного впрыска топлива;

при этом первый из нескольких трубопроводов (40) для подачи топлива содержит первый топливный тракт (41), приспособленный для соединения по текучей среде с первым из нескольких источников (20) топлива, и второй топливный тракт (43), приспособленный для соединения по текучей среде со вторым из нескольких источников (22) топлива;

при этом топливная система (18) дополнительно содержит распределитель (70), соединенный с устройством (48) предварительного смешивания и образующий первый топливный канал (62), соединенный по текучей среде с первым набором из нескольких проходов (58) для снабжения топливом, и второй топливный канал (68), соединенный по текучей среде со вторым набором (60) из нескольких проходов (58, 60, 66) для снабжения топливом;

при этом узел (103) пилотного впрыска определяет продольную ось, и при этом первый набор проходов (58) для снабжения топливом питает несколько проточных каналов (50) в местах, находящихся радиально снаружи, и второй набор проходов (60) для снабжения топливом питает несколько проточных каналов (50) в местах, находящихся радиально внутри.

9. Узел (103, 48) пилотного впрыска топлива и предварительного смешивания для топливного инжектора (26), содержащий:

устройство (26) предварительного смешивания, содержащее несколько проточных каналов (50), приспособленных для приема поступающего воздуха, и несколько наборов проходов (58, 60, 66) для снабжения топливом, находящихся в сообщении по текучей среде с проточными каналами (50), для предоставления основного потока воздуха и топлива в камеру (14) сгорания в двигателе (10) внутреннего сгорания; и

узел (103) пилотного впрыска топлива, соединенный с устройством (48) предварительного смешивания и содержащий первый впуск (108) для топлива, приспособленный для соединения по текучей среде с первым источником (20) топлива, второй впуск (109) для топлива, приспособленный для соединения по текучей среде со вторым источником (22) топлива, и выпуск (119) для впрыска;

при этом узел (103) пилотного впрыска дополнительно содержит первый топливный тракт (110), проходящий между первым из впусков (108) для топлива и выпуском (119) для впрыска, второй топливный тракт (111), проходящий между вторым из впусков (109) для топлива и выпуском (119) для впрыска, и впуск (122) для воздуха, соединенный по текучей среде с выпуском (119) для впрыска и приспособленный для смешивания воздуха с топливом из одного из первого и второго топливных трактов (110, 111), для предоставления пилотного потока воздуха и топлива в камеру (14) сгорания.

10. Узел (103, 48) по п. 9, отличающийся тем, что узел (103) пилотного впрыска топлива содержит трубку в сборе (104, 106), имеющую внутренний трубчатый элемент (106) и наружный трубчатый элемент (104);

при этом первый топливный тракт (110) определен внутренним трубчатым элементом (106), и второй топливный тракт (111) образован между внутренним трубчатым элементом (106) и наружным трубчатым элементом (104).