|
початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Ринок технологій / Актуальні винаходи і моделі / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2121585
Двигуни внутрішнього згоряння, СПОСІБ ЙОГО РОБОТИ, АВТОМОБІЛЬ І СТАЦІОНАРНА генераторні установки З ВИКОРИСТАННЯМ ЦЬОГО ДВИГУНА
Ім'я заявника: Юнайтед Фьюалс Лімітед (GB)
Ім'я винахідника: Пітер Джон Бріант (GB); Джекоб Епстейн (GB)
Ім'я патентовласника: Юнайтед Фьюалс Лімітед (GB)
Адреса для листування:
Дата початку дії патенту: 1993.05.10
Двигун, спосіб його роботи, генераторна установка і автомобіль з таким двигуном можуть бути використані в енергомашинобудування і на транспорті. У двигуні внутрішнього згоряння кожен циліндр повідомлений з джерелом повітря і палива, що міститься у вигляді стислого газу. Причому повітря в циліндрі стискається в ході такту стиснення, що закінчується безпосередньо перед впуском палива, а займання освіченої робочої суміші починає робочий такт. Паливо може бути впущено в циліндр через пристрій, що поєднує в собі функції впускного клапана і воспламенителя. Причому звичайний дизельний або бензиновий двигуни можуть бути перетворені шляхом установки цього пристрою під час гніздо форсунки звичайного дизельного або в гніздо свічки запалювання звичайного бензинового двигунів. Стисненим газоподібним паливом може бути метан або інший природний газ. Винахід значно полегшує перетворення ДВС і його пристосування для роботи на різних видах палива.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід стосується двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), в яких використовується в якості джерела енергії газоподібне паливо, що міститься в заправної ємності в газоподібному стані.
Велика кількість подібних двигунів використовується як в автомобілях, так і в стаціонарних установках. В обох випадках необхідний процес створення топлівовоздушной горючої суміші для кожного робочого такту циклу шляхом з'єднання двох газоподібних компонентів в певних пропорціях для подачі її в камеру згоряння способом і під тиском, аналогічними тим, що використовуються в звичайних ДВС з рідким паливом. Таким чином, газ подається в змішувач в обсязі, порівнянній з об'ємом повітря, що поступає, що не створює умов для досягнення максимальної потужності двигуна і необхідної економії палива. Крім того, в зв'язку з тим що для збереження достатнього пробігу між заправками газ в заправної ємності повинен утримуватися під значним тиском, зазвичай близько 250 бар, виникає необхідність зниження тиску газу на шляху від заправної ємності до змішувача приблизно до 70 бар.
Винахід грунтується на ряді переваг, які виходять з попереднього стиснення природного газу, що застосовується в якості палива, перед подачею його в камеру згоряння. Перше з них - в тому, що газове паливо подається безпосередньо в камеру згоряння по шлангу високого тиску через впускний клапан / запальник. Друге - Пристрій сконструйовано таким чином, що воно може легко встановлюватися як в гніздо свічки запалювання звичайного бензинового, так і в гніздо форсунки дизельного двигуна. Це полегшує переобладнання обох типів двигунів для роботи на стиснутому газі. Третє - поєднання в одному пристрої функцій впуску і запалювання паливної суміші. Займання проводиться в момент початку робочого такту, відразу після впуску палива в кінці такту стиснення, коли повітря в циліндрі знаходиться під максимальним тиском. При використанні природного газу такі пізні впуск і запалювання необхідні через високий октанового числа даного палива. Включення в конструкцію впускного клапана системи запалювання значно полегшує перетворення ДВС на рідкому паливі. Особливо це відноситься до дизельних двигунів, які не мають штатної системи запалювання.
Пристрої для безпосередньої подачі газу по топливопроводам високого тиску в камеру згоряння ДВС вже описані в багатьох попередніх публікаціях. Серед них опис патенту EP-A-0425327. На відміну від цього винаходу описаний в ньому впускний клапан не здійснює принципового управління впусканням палива в камеру згоряння. Переважна частина, якщо не всі паливо, впускается не ним, а головна функція клапана полягає у впуску повітря, інгібітора і т.п. Крім того, EP-A-0425327 не містить опису якого б то не було вбудованого у впускний клапан пристрою для утворення іскри. Опис US-A-4520763 містить ілюстрований опис пристрою для утворення іскри, але воно передбачає використання в якості палива тільки гідрогену. Документ не розкриває призначення пристрою і не описує переваги принципу впуску палива в камеру згоряння тільки в той момент, коли повітря вже в значній мірі стиснутий. На противагу вищезгаданому опис US-A-3926169 передбачає застосування в якості палива природного газу, такого як метан, але і тут не згадується потенційне перевагу впуску газу в камеру згоряння під час такту стиснення, а й перевага впуску саме в кінці цього такту.
Фіг. 1 показана спрощена схема автомобіля, обладнаного відповідно до винаходу
 Фіг. 2 - основний розріз впускного клапана / воспламенителя, встановленого на двигуні |
 Фіг. 3 - вид того ж впускного клапана / воспламенителя в плані |
Фіг. 4 - вид одного з варіантів впускного клапана / воспламенителя для установки на переобладнаному дизельному двигуні
Фіг. 5 - вид стаціонарної установки з двигуном, переобладнаним згідно винаходу
На фіг. 1 прямокутний паливний бак, розрахований на утримання природного газу під тиском близько 250 бар, розташований в задній частині конструкції 2 автомобіля, наприклад під багажником. Бак 1 може заправлятися з газозаправного пристрої високого тиску через заправну горловину 3 і штикове з'єднання 4, має звичайні засоби безпеки, в тому числі запобіжний клапан 5. Стислі природні гази, зокрема метан, мають ряд якостей, які роблять їх особливо привабливими для використання в якості палива для ДВС. Одне з таких переваг метану - високе октанове число (близько 130), що забезпечує високу питому потужність і хороші антидетонаційні властивості. Інша перевага - висока температура займання - удвічі вище, ніж у бензино-повітряної суміші, що забезпечує більшу безпеку при аварії чи витік. Третя перевага метану - низький рівень шкідливих викидів при згорянні, однак для того щоб його досягти, необхідна точна установка моменту запалення, що буде описано нижче.
З бака 1 газ надходить в паливопровід високого тиску 7 через запобіжний вимикач 8, який замкнутий на подібний заправний вимикач 9. Обидва вимикача замкнуті на ключ запалювання автомобіля 10. Паливопровід 7 може перекриватися ручним клапаном 11. Далі газ проходить датчик тиску 12 і регулятор тиску 13 і надходить до впускних клапанах / запальник 14 (з них на фіг. 1 показаний тільки один) чотирьох циліндрів (не показані), розташованих в блоці циліндрів 15 двигуна 16. чотири впускних колектора 17 і чотири вихлопних колектора 18 показані на фіг. 1.
Електронний блок управління (ЕБУ) 20 отримує дані про тиск газу в паливопровід (від датчика 12), температурі газу в паливопровід (датчик не показаний), положення дросельних заслінок (від датчика 21), що регулюють роботу впускних колекторів 17, положенні колінчастого вала (від датчика 22), температурі охолоджуючої рідини (від датчика 23 на радіаторі 24), тиску повітря у впускних колекторах (від датчика 25). ЕБУ 20 запрограмований на попередньо обрані базові робочі та інші характеристики. Рівні надходять до нього від вищеописаних датчиків сигналів постійно співвідносяться з запрограмованої еталонної інформацією і, таким чином, вироблені командні сигнали подаються через лінію 27 на котушку запалювання 28 і розподільник 29, що витримують відповідні момент запалювання і тривалість впуску палива впускним клапаном / воспламенителем 14 відповідно до дією водія.
Реально, що формуються далі ЕБУ 20 командні сигнали адекватні зниження тиску в паливопровід 7, висоті автомобіля над рівнем моря і відповідного їй атмосферному тиску, а й температурі охолоджуючої рідини і газу. В цілому ЕБУ 20 запрограмований на освіту оптимальної по обогащенности робочої суміші для досягнення практично можливо низького рівня викиду шкідливих речовин і, отже, система взаємопов'язаних датчиків дозволить поліпшити початкові базові характеристики двигуна.
З вищеописаних засобів безпеки головна функція запобіжного вимикача подачі палива 8 полягає в блокуванні паливопроводу при кожній заправці. Цей вимикач може, наприклад, мати в своїй конструкції клапан з електричним приводом, що діє в режимі "аварії", який автоматично закривається у разі розриву електричного кола.
Фіг. 2-4 ілюструють два варіанти впускного клапана / воспламенителя (який буде в подальшому для стислості іменуватися інжектором) 14 (фіг. 1) більш детально. Як видно на фіг. 2 і 3, інжектор складається з металевого корпусу 31, в який рухомо вмонтований клапан 32, що відкривається соленоидом 33 і закривається пружиною 43. Котушка 35 соленоїда 33 відокремлена і ізольована прокладками 36, якорем соленоїда є стрижень клапана 32, ізольований на необхідному ділянці керамічним шаром 42 . Пружина 43 впирається в ковпачок 44 з непровідного матеріалу, що фіксується болтом 45, сполученим пружиною 47 з контактом високої напруги 46, що проходить через м'який ковпачок 50 з непровідного матеріалу. Контакт 46, в свою чергу, з'єднується через розподільник 29 і котушку запалювання 28 з акумулятором 30 автомобіля. Електричні імпульси, що призводять в дію соленоїд 33, надходять до нього і від акумулятора 30 через контакт низької напруги 48 по командам від ЕБУ 20.
Стиснутий газ надходить в корпус 31 з паливопроводу 7 через патрубок 41, проходить через кільцевий кінець 39 до клапанного зазору, утвореного між керамічною поверхнею 34 на стрижні клапана 32 і подібної поверхнею 37 на корпусі 31. У момент, коли соленоїд 33 опускає стрижень клапана 32 щодо корпусу 31, між поверхнями 34 і 37 утворюється клапанний зазор і газ надходить з інжектора в камеру згоряння 55 циліндра 56 (з поршнем 59). При цьому корпус 31 угвинчений за допомогою нарізного сполучення 57 в гніздо свічки запалювання 58 двигуна, перетвореного для роботи на газі.
За командою ЕБУ 20 клапан піднімається, перекриваючи подачу газу. Коли поршень 59 знаходиться у верхньому положенні, такт стиснення закінчений, повна доза повітря (який потрапив в циліндр 56 протягом попереднього такту впуску через впускний колектор 17) стиснута. ЕБУ 20 весь період цього такту зберігає закрите положення клапана, потім відкриває його, а коли відповідна доза газу впущу, знову закриває його. До того моменту, коли впускается газ, впущена повітря повинне бути стиснутий до максимально можливій мірі з тим, щоб підвищити його температуру перед займанням. При підвищенні температури повітря зростає і потужність двигуна.
Коли клапан закриває чотири розрядних електрода 51, розташованих в нижній частині клапана під однаковим кутом до осі інжектора, вони виявляються на оптимальній відстані для розряду високої напруги від чотирьох відповідних електродів 38, розташованих на нижній частині корпусу 31. Розряд високої напруги, ініційований ЕБУ 20, запалює топливовоздушную суміш в камері згоряння 55, починаючи робочий такт циклу. Характеристики стоку тепла 49, розташованого в нижній частині стержня клапана 32, можуть бути спеціально підібрані для конкретного типу конверсіруемих двигуна з метою компенсації різниці між температурами згоряння палива в штатному і переобладнаному варіантах. Високий ступінь стиснення повітря перед впусканням газу, що підвищує його температуру, і сприяє збільшенню швидкості поширення фронту горіння після займання паливоповітряної суміші, що описано вище.
У стандартному ДВС, де поршні з'єднані шатунами з кривошипами колінчастого вала, такт стиснення складає 180 o його обороту, в кінці якого поршень виявляється у верхній мертвій точці (ВМТ). Необхідною умовою даного винаходу для цього типу двигунів є стиснення повітря в циліндрі до впуску газу, причому впуск має припадати на останні 20 o, а краще - 10 o повороту колінчастого вала до ВМТ. У цей момент тиск всередині циліндра звичайного автомобільного двигуна з середніми характеристиками становить приблизно 600-1000 пси.
Обогащенность газоповітряної суміші, що знаходиться в циліндрі в момент запалювання, регулюється тривалістю впуску газу клапаном 32 по команді ЕБУ 20 на соленоїд 33. Типова тривалість впуску дорівнює 3 - 17 мс, тобто порівнянна з цим параметром сучасного гоночного автомобіля. Це стає можливим завдяки високому тиску у всій системі подачі палива аж до клапана 32, а висока точність регулювання тривалості впуску забезпечується простотою конструкції і управління клапаном, який має тільки два положення - або повністю відкритий, коли на соленоїд подається напруга, або повністю і швидко закритий поворотною пружиною 43 при знеструмленні соленоїда. ЕБУ 20 регулює тривалість впуску відповідно до температури повітря і атмосферним тиском, температурою головки циліндра, вмістом кисню у вихлопі і положенням дросельної заслінки. Останнє відображає ступінь затребуваної водієм потужності. ЕБУ 20 визначає момент запалювання з урахуванням положення колінчастого вала двигуна і частоти його обертів на цей момент. Точне управління запалюванням запобігає детонацію, особливо при роботі на бідній суміші.
Оскільки інжектор для дизельного двигуна в основному за своєю конструкцією аналогічний зображеному на фіг. 2, 3, на фіг. 4 зображені тільки деталі, що показують особливості його установки в гніздо форсунки 60 в ніші 60а головки циліндра 62 (включаючи поршень 63) конверсований дизельного двигуна. Замість вгвинчування в гніздо 60 на відміну від гнізда свічки запалювання бензинового двигуна корпус інжектора 31 в даному випадку кріпиться на голівці циліндра гайками 64 і гвинтами 64а, що проходять крізь отвори 65, просвердлені в плечах 66, відступаючих від корпусу, а ущільнення між корпусом інжектора і головкою блоку забезпечується прокладкою 67. в даному варіанті осьова відстань між клапанним зазором (34/37 на фіг. 2) і зазором між електродами (51/38) більше, ніж у варіанті конверсований бензинового двигуна, що пов'язано з більшою товщиною головки циліндра 61 дизельного двигуна , крім того, гніздо форсунки дизельного двигуна має менший діаметр, ніж гніздо свічки запалювання 58 на фіг. 2 і 3. Коли клапанний зазор 34/37 відкритий, газ проходить в циліндр 62 одночасно двома шляхами: через простір між стінками гнізда форсунки 60 і зовнішньою поверхнею подовженої частини 69 корпусу 31 інжектора, а й через простір між внутрішніми стінками подовженої частини 69 корпусу і стрижнемклапана. Коли клапан (поверхні 34/37) закритий, електроди 51 і 38 виявляються на оптимальній відстані для розряду високої напруги.
Оскільки інжектор на фіг. 4 має порівняно протяжні канали проходження газу, він міг би оснащуватися напрямними для запобігання завихрень при проходженні газу через гніздо 60 в камеру згоряння 62, проте в цьому немає необхідності, так як сувора спрямованість потоку газу досягається шляхом точного суміщення осі інжектора 40 і осі циліндра при допомоги гайок 64 і гвинтів 64а.
На фіг. 5 показана стаціонарна генераторна установка, обладнана відповідно до винаходу. Газ надходить по живлячої трубопроводу 76, обходить ручної перериваючий кран 77, лічильник витрати газу 78, зворотний клапан 79, вимикач низького тиску 80. Зворотний клапан 79 охороняє лічильник 78 і живильний трубопровід 76 від зворотного удару, а вимикач 80 автоматично вимикає установку в разі падіння тиску газу в живильному трубопроводі нижче певного рівня.
Далі газ надходить в компресор 82, де його тиск підвищується і потрапляє в балон-накопичувач 75, призначений для виключення впливу на роботу двигуна можливих коливань тиску в живильному трубопроводі і для утримання достатнього резерву стисненого газу для пуску установки після простою. Таким чином, балон 75 виконує ту ж функцію, що і паливний бак 1 на фіг. 1. З балона 75 стиснений газ проходить через другий ручної перекриває кран 83 в регулятор тиску 84, що знижує тиск газу до розрахункового рівня для паливопроводу 85, що подає газ під цим тиском до впускних клапанах / запальник 86 і далі в камери згоряння двигуна 87, що приводить в дію генератор 88 і компресор 82, з'єднані загальним валом 89.
Управління роботою двигуна здійснює ЕБУ 95, подібний ЕБУ 20 на фіг. 1, який отримує дані про положення дросельної заслінки (від датчика 96), температурі охолоджуючої рідини (від датчика 97) і положенні колінчастого вала (від датчика 98).
Забір повітря в двигун 87 здійснюється через фільтр / глушник 99, а вихлоп - через фільтр / глушник 99а. Необхідна частота обертів колінчастого вала встановлюється важелем 100 і відображається тахометром 101. Задана вручну частота обертів далі автоматично підтримується ЕБУ 95. На розподільному щиті 104 поміщені вихідні роз'єми 105 генератора 88, головний ізолятор 106, пускова система низької напруги, що включає акумулятор 108, зарядний пристрій 109 , підключений до джерела високої напруги 110. Акумулятор подає харчування на стартер 111 двигуна при натисканні на пускову кнопку 112. двигун може бути заглушений за допомогою вимикача запалювання 113. Якщо двигун перегрівається, ЕБУ 95 знижує його обороти аж до неодружених, а в разі падіння тиску в живильному трубопроводі 76 до занадто низького рівня ЕБУ вимикає запалювання. ЕБУ вимикає запалювання і в разі падіння тиску масла в двигуні, рівень якого відображається на шкалі манометра 115, підключеного до датчика 116.
Замість генератора 88 в установці можуть монтуватися інші агрегати, які приводяться в дію двигуном 87, наприклад рідинний насос або компресор.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Двигун внутрішнього згоряння, що включає щонайменше один комплект поршень-циліндр, в якому циліндр пов'язаний з джерелами надходження повітря і палива, що міститься як газ під тиском, в якому робочий цикл включає такт стиснення, в ході якого циліндр приймає повну дозу повітря і стискає його, і в якому такт стиснення, по суті, закінчений перед тим, як газоподібне паливо під тиском подається в циліндр з джерела палива через пристрій для впуску, і отримана паливно-повітряна суміш відповідно запалюється за допомогою запальника для початку робочого такту циклу, що відрізняється тим , що, по суті, все газоподібне паливо подається в циліндр через пристрій для впуску, що включає впускний клапан, що містить елемент, оснащений електродом воспламенителя, і впускний клапан встановлений з можливістю блокування надходження палива в циліндр з джерела палива до запалювання паливно-повітряної суміші.
2. Двигун по п. 1, який відрізняється тим, що поршень працює по зворотно-поступальному принципом.
3. Двигун по п.1, що відрізняється тим, що він включає оснащений електроприводом впускний клапан, через який паливо надходить в циліндр, при цьому клапан пристосований для відкриття при приведенні в дію джерела енергії.
4. Двигун по п.3, що відрізняється тим, що впускний клапан пристосований для роботи в двох положеннях - повністю відкритому або повністю закритому.
5. Двигун по п.4, що відрізняється тим, що поворотна пружина виконана із забезпеченням повернення клапана в повністю закрите положення як тільки він знеструмлений.
6. Двигун по п.1, що відрізняється тим, що пристрій для впуску палива встановлено в штатне гніздо для свічки запалювання звичайного циліндра двигуна, призначеного для роботи на бензині.
7. Двигун по п.1, що відрізняється тим, що пристрій для впуску палива встановлено в штатне гніздо для форсунки звичайного циліндра двигуна, призначеного для роботи за принципом запалення від стиснення на дизельному паливі.
8. Двигун за допомогою одного з пп.1 - 7, який відрізняється тим, що він пристосований для використання стисненого природного газу в якості палива.
9. Двигун по п.1, що відрізняється тим, що впускний клапан оснащений і засобом для поглинання тепла, що дозволяє компенсувати різницю в залишковому теплі, і таким чином розширити коло двигунів різних типів і розмірів, придатних для використання впускного клапана.
10. Двигун по п.1, що відрізняється тим, що він включає колінчастий вал і засоби для визначення моменту запалювання за інформацією про становище колінчастого вала.
11. Двигун по п.1, що відрізняється тим, що пристрій для впуску палива містить дві частини, здатні в певному інтервалі переміщатися відносно один одного, в якому щонайменше одна пара електродів для утворення іскри запалювання розміщена на цих частинах між окремими елементами на кожній , при цьому, коли обидві частини знаходяться в одному кінці інтервалу відносного переміщення, впускний клапан закритий і пара електродів виявляється на оптимальній відстані один від одного для утворення іскри, а при русі до іншого кінця інтервалу переміщення відстань між парою електродів збільшується.
12. Автомобіль, який відрізняється тим, що він включає двигун за допомогою одного з пп.1 - 11 і заправні засоби, пристосовані для утримання палива під високим тиском в газоподібному стані.
13. Стаціонарна генераторна установка, яка відрізняється тим, що вона містить компресор для газоподібного палива, двигун по пп.1 - 11 і кошти для вироблення енергії, причому двигун приводить в дію і компресор і засоби для вироблення енергії.
14. Спосіб роботи двигуна внутрішнього згоряння, що включає, щонайменше, один комплект поршень-циліндр і працює на циклі згоряння, що включає такт стиснення, після якого слід починати запалюванням робочий такт, що відрізняється тим, що повну дозу повітря впускають в циліндр і стискають поршнем до кінця такту стиснення, причому впуск вже стисненого газоподібного палива в циліндр здійснюють від джерела палива через пристрій, що включає впускний клапан, що містить елемент, оснащений електродом воспламенителя, отриману паливно-повітряну суміш відповідно запалюють за допомогою запальника, в той час як впускний клапан закритий, таким чином починають робочий такт циклу, причому впуск газоподібного палива під тиском в циліндр, по суті, збігається з закінченням такту стиснення.
15. Спосіб за п.14, який відрізняється тим, що впуск, по суті, всієї дози попередньо стисненого газоподібного палива здійснюють, по суті, в межах останніх 20 o обороти колінчастого валу до досягнення поршнем верхньої мертвої точки в кінці такту стиснення.
16. Спосіб за п.14, який відрізняється тим, що впуск, по суті, всієї дози попередньо стисненого газоподібного палива здійснюють, по суті, в межах останніх 10 o обороти колінчастого валу до досягнення поршнем верхньої мертвої точки в кінці такту стиснення.
17. Спосіб за п.14, який відрізняється тим, що впуск попередньо стисненого газоподібного палива здійснюють в той момент, коли тиск повітря в циліндрі досягає меж 600-1000 пси.
Версія для друку
Дата публікації 28.12.2006гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.