CN1168713A - 内燃机的燃气混合气喷射装置 - Google Patents

Abstract

内燃机的燃气混合气喷射装置，包括：一个气缸气化室(1)，与发动机每个燃烧室的气体入口(2)直接连通；一个液体燃料连续喷射针阀(4)；一个将具有压力的主空气喷入一个预先混合室(17)的装置(14、15)；一个低增压辅助空气输入装置(19)；一个燃料空气预先混合气的增压、搅拌和分子分裂螺旋桨(11)，使燃料空气预先混合气在每个气化室(1)中变成均匀气体，由燃料空气混合气的压力和气化室的压降交替驱动旋转；若干电子控制和调节装置，对供给燃料、主空气和辅助空气以及将燃料喷入预先混合室(17)的各种装置的流量进行控制和调节。

Description

内燃机的燃气混合气喷射装置

本发明涉及将使用液体燃料的内燃机变为增压燃气发动机的装置。

目前只有两种向工作气缸供给燃料的装置：化油器、一般为浮子式化油器，及连续喷射式喷嘴。将或多或少呈微滴状的与一定量的空气相混合的液体燃料喷入气缸的主要缺点是燃料空气混合气在气缸内的燃烧不完全，这或多或少迅速形成气缸的积炭层，效率低，而且燃料空气混合气没有完全燃烧的部分会加重对大气的污染。由于不完全燃烧产生的微粒和积炭，气缸的积炭层迅速降低机油的润滑性能。因此，如果是高压供油式柴油发动机，则使发动机活塞环和气缸套筒以及曲轴轴瓦和活塞轴颈过早磨损。高压供油需要使用若干非常精密和成本很高的泵以及一个适于承受所述压力的供给管路。喷射系统也是非常精密和昂贵的，而且容易失调。

为了弥补这些缺陷，发动机技术人员研究出一些机械、电气和/或热力装置，与传统的集油分配室之前的一个预燃室相配合。但是，发动机的改进，更一般地说是汽油发动机的改进，涉及不到通常称为柴油机的发动机，柴油发动机配有150巴高压喷射装置。目前的趋势是使所述燃料供给更为精确，以便对每个气缸提供完全等量的燃料。这同越来越复杂和昂贵的控制装置一起将增加发生故障的危险性，经常有出现不正常现象的弊端。一般来说，现有装置需要进行经常不断的费用昂贵的维护保养，一般用户很少能做得到，只有设备齐全的专业人员才能办到。

由此可见，由于世界汽车保有量的提高，汽车尤其是载重汽车的污染问题不但在所有工业化国家成为一个主要问题，而且在汽车保有量迅速提高的发展中国家也将成为一个主要问题。

本发明提出要解决的问题如下：

-通过消除不完全燃烧的现象，消除汽油和柴油内燃机的污染，特别是载重汽车柴油发动机的污染，也要消除船用发动机、发电机组发动机等造成的污染；

-降低燃料消耗量约20％；

-显著提高上述发动机的效率；

-延长上述发动机的使用寿命；

-降低使用、维护保养和调整的成本。

本发明提出一种独特而简单的气化装置，使燃料空气混合气在一个混合气预燃室和一个装配在内燃机每个气缸入口的气化室中进行分子分裂，因此，通过本发明装置将达到上述目的。

本发明提出取代各类汽油发动机的化油器或者喷嘴，特别是取消对大功率柴油发动机的燃料压力供给，这些发动机污染最大，其中有载重汽车的柴油发动机、公共工程用机械的柴油发动机、船用柴油发动机等。本发明提出的气化装置使传统的液体燃料内燃机变成燃气发动机。

柴油发动机的自燃压力约为23至24巴，降低柴油发动机的自燃压力，以便取消需要高压供给燃料的自燃作用。由一个高压电子点火系统进行点火，通过一个必要时可使其更迅速转动以获得其全部功率的压缩机来使发动机增压。它低速运转时以降低的功率进行工作，从而减少燃料消耗量。

根据最佳实施例，本发明装置包括：

-每个气缸一个气化室，直接与所述发动机每个燃烧室的入口连通；

-一个压力为5至7巴的液体燃料喷射装置；

-一个压力为2至4巴的主空气喷射装置；

-一个压力为若干毫巴的辅助空气喷射装置；

-一个燃料空气预先混合气的形成和扩散小室；

-一个燃料空气混合气的增压、搅拌和分子分裂装置，使所述燃料空气混合气在所述每个燃烧室中变成均匀燃气，压力约为100至400毫巴；

-若干电子控制装置，对若干针阀的同步动作、进气和燃料空气单位重量比的最佳化进行控制，并控制液体燃料压力分配泵的随动机构；

-一个高压电子点火系统。

当发动机每个气缸的进气阀关闭时，气化室通过一个由燃料空气预先混合气输出压力驱动进行高速旋转的多叶片螺旋桨进行连续增压。当每个气缸的进气阀打开时，气化室中的气体进入燃烧室时压力骤降，此时由于工作活塞的周期性下行行程而存在很大的压降。这种布置确保使燃料空气预先混合气变成一种在燃烧室可完全燃烧的气体，从排放的气体中测不到不完全燃烧的产物。通过一个改变燃油泵转速的装置来改变进入气化室的燃料流量。

本发明增压气化装置的优越性如下：

-燃料分子分裂，燃料空气混合气在燃烧室入口之前的气化室中变成均匀气体，因此，在发动机排气管出口完全不存在燃烧不完全的气体，从而大大降低对空气的污染，实际上仅限于二氧化碳污染；

-内燃机气缸的燃料供给大为简单化，成本显著降低；

-取消具有各种缺点的化油器，消除直接喷射，越来越多地取代增加燃料消耗量和不完全燃烧气体量的化油器；

-由于气体完全燃烧而显著提高内燃机的效率和延长其使用期限；

-由于不经常进行部分排空，因此节省燃料约20％，并且节省机油；

-润滑得到改善，发动机使用寿命延长，维护保养费用更低；

-由于节省燃料、机油和维护保养费用以及延长了发动机使用寿命，因此在很短时间内减轻所述装置过高成本的负担；

-易于装配在现有各类内燃机特别是柴油发动机上。

在柴油发动机上装配气化装置需要去除集气器，去除化油器和现有的压力供给系统(高压泵和液压件)，在每个气缸现有喷射器的位置上安装一个火花塞，安装一个密封圈以增大燃烧室的容积，在一个适于发动机型号的凸缘上安装一个气化部件，安装一个压缩机、一个至少40000伏的电子点火系统以及一个使发动机工作的物理、流体和机械参数与新装置相配合的系统。

下面参照非限制性实施例的附图对本发明装置加以详述，附图如下：

图1是本发明装置整体的正视剖视图；

图2和图3示出安装在预先混合室中的防溅喷嘴；

图4和图5是混合气的搅拌和增压螺旋桨的前视图和剖视图；

图6是一个四缸发动机上气化部件组的示意图。

如图1所示，所述装置呈一个气化部件1的形状，气化部件包括一个气化室2，气化室由一个与进气孔3垂直的螺栓装配件直接或通过一个装配凸缘固定在与之相通的每个工作气缸中。气化室2由一个主体3封闭，主体3在其中央纵向轴线XX′上配有一个滑动针阀式喷射装置4，所述滑动针阀式喷射装置以一个开启位置和一个关闭位置起开关作用，它由例如一个电磁绕组5加以控制，电磁绕组吸引其铁芯6，铁芯由一个压缩弹簧7保持在正常闭路位置。

燃料以大约5至7巴的压力喷射到一个防溅喷嘴8上，防溅喷嘴的作用是使形成一种燃料空气预先混合气的一个预先混合小室10中的压力降低，然后，所述燃料空气预先混合气喷射到一个多叶片螺旋桨11的叶片上，螺旋桨在一个轴承12中与气化部件的轴线XX′同心地自由转动。所述螺旋桨通过搅拌使防溅喷嘴8处已经混合成的燃料空气预先混合气均匀和增压。

螺旋桨的轴承12安装在一个轴承座13中，轴承座包括若干用螺栓固定在气化室2主体1上的臂14。螺旋桨11在其轴承上自由转动。螺旋桨的叶片数目根据要使混合气进行分子分裂的高速转速而定，根据发动机的工作状况，其转速为3000至20000转/分钟。液体燃料由一个管16和一个管接头17向一个围绕针阀4的环形室18输送，针阀4具有若干燃料通过槽；限定所述槽的若干部分也用作针阀座孔径中的导向。由一个辅助压缩机产生的主压缩空气由管20和管接头21向一个环形室22输送，环形室22同预先混合室10相连通。燃料和预先混合空气通过一个锥形孔23向螺旋桨11的叶片输送，同时，来自一个侧孔24的附加辅助空气也向螺旋桨11的叶片输送。

主空气和辅助空气气流量的最佳化根据燃料流量进行调节，燃料流量由一个随动流量泵加以确保，随动流量泵与一个可变开启度的电动节流门相配合。喷射到螺旋桨11上的呈微滴状的燃料空气混合气在气化室2温度的配合下分裂到差不多分子级，在其进入每个工作气缸之前变成一种增压气体。

整个周期有如下若干阶段：

(1)液体燃料在5至7巴压力下输入到针阀4的环形室18中；

(2)燃料和主空气以有控制的流量和压力喷入所述预先混合室10中防溅喷嘴8上，形成一种已经成为很微小的微滴的燃料空气混合气；

(3)活塞下行程在3处吸入，在气化室2入口锥形孔23中形成压降，呈微小微滴状的混合气喷射到螺旋桨11的叶片上，螺旋桨由活塞下行行程造成的气化室2的压降和燃料空气喷射压力交替驱动进行高速旋转；

(4)在进气阀关闭和混合气压力输入期间，所述气化室2中增压；

(5)在进气阀开启时，所述气化室2中降压，进入新的周期。

螺旋桨的转速主要根据降压而定，转速约为3000至20000转/分钟，足以确保预先混合气的分子分裂。

采用若干非常经济的装置即可获此结果。现已使用一个针阀4，进行开启或关闭以调节一种连续流量而不是像大多数传统发动机那样的一种断续流量。正是与一个可变开启度电动节流门相连的燃料泵的速度变化提供发动机工作所需的流量。采用其它公知件也可获得上述变化。在发动机起动和低转速时，由一个未示出的电动机协助螺旋桨旋转，在转速更高时，由在26处切向喷射到螺旋桨11叶片上的压力空气协助所述螺旋桨旋转。

燃料、主空气和辅助空气的数量由一个对物理参数、流体参数、机械参数、尤其是热机转速参数、温度和压力加以控制和协调的电子系统进行计量。由上述各种参数得出燃料空气混合气的单位重量比。

如果将所述气化装置装配到现有的柴油发动机上，则取下高压泵及其液压件和喷嘴，插入一个厚密封圈以增大燃烧室的容积，使压缩比降低到自燃极限以下，一个火花塞安装在每个气缸的喷嘴的位置上，与一个高压电子点火系统相配合，其电压至少为40000伏，以便产生混合气的点火火花；若干气化部件安装到一个适于发动机型号的凸缘上，固定在也已取下的集气器的孔上；高压喷射泵由一个约为5至7巴的低压可变流量泵取代。

图2和图3是安装在预先混合室10中的一个防溅喷嘴8实施例的正视图和端部视图。所述防溅喷嘴呈一个具有凸肩的螺纹十字件形状，在轴线XX′上同心地加以紧固，具有与喷嘴15的出口垂直的小表面。

图4和图5是一个六叶片27的增压螺旋桨11实施例的前视图和正视剖视图，螺旋桨毂与轴28连接，螺旋桨悬置地固定在所述轴上，在其轴承中自由转动。

图6是气化部件组30、31、32、33的示意图，每个气化部件包括与工作气缸垂直的一个气化室2。这些气化室2由其螺旋桨11通过辅助空气的进入以若干巴的压力进行连续增压，辅助空气可能来自一个涡轮压缩机，而主要来自一个未示出的辅助增压器。

在内燃机转动的正常情况下，通过一个改变泵35转速的公知电子装置，对进入若干预先混合室10的具有压力的燃料的流量进行调节，所述泵35以5至7巴的压力将燃料输送到一个公共管36里，公共管36通过管37、38、39、40将燃料分配到四个气化部件的每一个中。

泵的燃料流量的这种变化与一个可变开启度电动节流门相配合，使所述流量的调节更为精确。

主空气由未示出的强制性压缩机或一个辅助压缩机产生，载重车一般配备强制性压缩机。

为了提高气化程度，另外加一个电气件，例如一个加热电阻，在燃料喷入预先混合室之前对燃料进行预热。来自压缩机的主空气也是热的，便于在所述预先混合室10中发生气化作用。

Claims (10)

1.一种将使用液体燃料的内燃机变为增压燃气发动机的装置，所述装置包括一个液体燃料喷射装置，所述液体燃料喷射装置与一个空气输入装置相配合，产生一种混合气，用于输入到所述发动机的每个气缸中，其特征在于，对于发动机的每个气缸来说，所述装置包括一个气化部件(25)，所述气化部件至少包括：

-一个预先混合和扩散小室(10)，用于形成一种燃料空气预先混合气；

-一个所述燃料空气预先混合气和辅助空气的增压、搅拌和高速分子分裂装置(11)，使所述燃料空气预先混合气变成均匀气体，

-一个气缸气化室(2)，接收由所述装置(11)增压和均匀分裂的混合气，直接与所述混合气进入所述发动机每个燃烧室的入口(2)连通。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预先混合小室(10)包括一个十字形防溅喷嘴(8)，所述防溅喷嘴布置成直通喷嘴(15)的出口。

3.根据权利要求1和2所述的装置，其特征在于，所述燃料空气预先混合气的增压、搅拌和高速分子分裂装置是一个多叶片螺旋桨(11)，同心地布置在所述气化部件的轴线XX′上，位于所述预先混合室(10)和一个喷雾器(23)的出口端，所述多叶片螺旋桨悬置地固定在一个轴(28)上，所述轴在与所述气化室(2)的主体(1)啮合的一个轴承中自由转动，所述螺旋桨(11)交替地由燃料空气预先混合气的压力和气化室(2)中分子分裂的预先混合气在进气阀开启时吸向燃烧室所造成的压降驱动进行旋转。

4.根据权利要求1和3所述的装置，其特征在于，在发动机起动和低转速时，所述螺旋桨(11)由一个电动机驱动旋转，在其它转速时，则由在(26)处喷射到所述螺旋桨叶片上的压力空气驱动旋转。

5.根据权利要求1至4中之一所述的装置，其特征在于，所述预先混合小室(10)、燃料空气预先混合气的增压、搅拌和高速分子分裂装置(11)和气化室(2)与下述装置配合：

-一个处于开启或关闭位置的喷射液体燃料的针阀开关(4)，

-一个以2至4巴压力将主空气喷入一个室(22)的压缩机，

-一个压力为若干毫巴的辅助空气喷射装置，

-一个对发动机工作的物理、流体和机械参数进行协调的电子系统，所述电子系统对下述装置进行作用：一个改变液体燃料流量的装置；一个调节主空气压力的装置；一个根据燃料和主空气流量调节辅助空气输入量使燃料空气单位重量比最佳化的装置；一个高压电子点火系统。

6.根据权利要求1至5中之一所述的装置，其特征在于，所述气化部件包括一个具有两个位置的针阀开关(4)，一个正常关闭位置和一个由一个电磁铁(7)进行开启的开启位置，所述气化部件配有若干燃料输入装置(16、17)，若干主空气输入装置(20、21)和辅助空气输入装置(24)；所述气化部件包括一个输入压力主空气的环形室(22)、所述预先混合室(10)和一个将预先混合气引向所述螺旋桨(11)的锥形孔(23)，所述气化室的主体固定在内燃机上，直通燃烧室的开口(3)。

7.根据权利要求1至6中之一所述的装置，其特征在于，热力发动机的每个工作周期有如下若干阶段：

(1)将具有压力的液体燃料输入所述针阀(4)的环形室(18)；

(2)以有控制的流量和压力将燃料和主空气喷入所述预先混合室(10)，形成一种燃料空气混合气；

(3)活塞下行行程在(3)处吸入，在所述气化室(2)的入口锥形孔(18)中形成压降，呈很微小微滴状的预先混合气喷射到所述螺旋桨(11)的叶片上，所述螺旋桨交替地由活塞下行行程造成的所述气化室(2)的压降以及由燃料空气的喷射压力驱动进行高速旋转；

(4)在进气阀关闭和具有压力的混合气输入期间，所述气化室(2)中增压；

(5)在进气阀开启时，所述气化室(2)中降压，进入新的周期。

8.根据权利要求1和7中之一所述的装置，其特征在于，通过一个可变开启度电动节流门来改变由一个公共管(36)喷射的具有压力的液体燃料的流量，所述公共管通过管(37、38、39、40)将所述液体燃料分配到四个气化部件(25)的每一个中，所述可变开启度电动节流门与一个改变所述泵(35)转速的装置相配合，使所述流量的调节更为精确。

9.根据权利要求1至8中之一所述的装置，所述装置装配到现有的柴油发动机上，其特征在于，加入一个密封圈使压缩比降低到自燃极限以下，一个气化部件(25)通过一个适合发动机型号的装配件固定在集气器的位置上，直通每个燃烧室的开口(3)，一个火花塞固定在每个气缸的喷嘴的位置上，一个低压燃料泵(35)安装在高压泵的位置上，一个供给主空气的辅助压缩机安装在热力发动机附近，以所述发动机的速度由传送带带动转动，加入一个高压电子点火系统。

10.根据权利要求1至9中之一所述的装置，其特征在于，一个电气装置在燃料喷入所述室(10)之前预热所述燃料。

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