Оптимайзер расхода топлива и снижение выхлопов углекислого газа благодаря воздушно-вакуумной жидкостной системе компенсации

Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, и в частности, изобретение конкретно связано с оптимальным снижением расхода топлива, благодаря повышению волюметрической эффективности и эффективности сгорания, которому способствует подача дополнительного воздуха через всасывающий трубопровод, при этом сокращаются потери мощности при работе поршневой системы и нагрузка на нее в условиях создания вакуума при всасывании. Все это позволяет одновременно сократить потребление топлива и резко повысить мощность. Система предназначена для работы с большинством двигателей внутреннего сгорания.А) Двигатели внутреннего сгорания: в общем относятся к двигателям, которые всасывают воздух через дроссельный клапан, контролирующий и ограничивающий воздушный поток через всасывающий трубопровод, и в которых топливо не содержит смазочного вещества.Б) Любая система подачи топлива: например, карбюраторная, с впрыскиванием через дроссель, система непрерывного впрыскивания,множественное впрыскивание, электронноимпульсное впрыскивание, смеситель-дозатор воздуха для природного газа или Жидкого топливного газа, прямое впрыскивание для дизеля.В) Любое топливо: относится в основном к ТОППИВЗМ, ВОСПЛЗМСНЯСМЬТМ ИСКрОЙ ОТ ЗЗЯСИГЗния, таким как бензин, метанол, этанол или бензино-спиртовые смеси, природный газ, сясиженнЬ 1 й горючий газ. В случае упоминания дизельНОГО ИЛИ ЖИДКОГО ТОПЛИВЗ, на НИХ бУДСТ СДСЛЗНЗ специальная ссылка.Общеизвестно, что для традиционного двигателя внутреннего сгорания идеальное сгорание можно определить соотношением между: МЗКСИМЗЛЬНЬПИ КОЛИЧССТВОМ ЗНСрГИИ, вЬ 1 рабатЬ 1 ВЗСМОЙ ПрИ СЪКИГЗНИИ МИНИМЗЛЬНОГО КОЛИЧССТВЗ ТОПЛИВЗ, СМСШЗННОГО С ТОЧНЪТМ КОЛИЧССТВОМ кислорода, присутствующего в воздушнотопливной смеси, однородно распределенной в каждом цилиндре с целью полного сжигания топлива, И МИНИМЗЛЬНЪТМ образованием ПрИ ЭТОМ ТВСРДЬТХ ОСТЗТКОВ И МИНИМШТЬНЬТМ загрязнением выхлопами. Это определение предполагает достижение почти 100% эффективности в процессе сжигания. С целью достижения максимальной эффективности и значительного снижения потребления топлива двигателями внутреннего сгорания, будет удобнее разделить основные факторы, участвующие в процессе сгорания, а также проблемы и функциональные ограничения, присущие двигателям, И определить, как они влияют на внутреннее сгорание и работу двигателя.ШПО. ТЗКИМ КОМПОНСНТОМ ЯВЛЯСТСЯ КИСЛОрОД,который представляет собой необходимый элемент, чтобы сгорание имело место. Сгорание окислительный процесс, в котором элементы углерод и водород, присутствующие в реакции окисления, обеспечивают высокую выработку энергии и безвредных побочных продуктов (углекислый газ и воду).Обогащенное состояние. Если мы работаСМ С ИЗбЫТКОМ ТОПЛИВЗ, а ДЛЯ СЯСИГЗНИЯ ТОПЛИВЗ кислорода недостаточно, часть топлива останется несгоревшей. Это приводит к отложению углеродных образований в камере сгорания и образованию высокотоксичных выбросов, таких как остаточные углеводороды и окись углерода,которые через выхлопную систему попадут в окружающую среду. Кроме того, двигатель будет неэффективно расходовать большее количество топлива для выработки вредных побочных продуктов, а не для получения энергии.Обедненное состояние. Учитывая то, что весь Кислород, используемый в двигателях внутреннего сгорания, поступает с атмосферным воздухом, который может обеспечить приблизительно 20% кислорода вместе с ненужными 80% азота, разумно было бы подавать дополнительное количество воздуха для сжигания всего топлива, поступающего в камеру сгорания. Но проблема заключается в том, что избыток воздуха образует высокие температуры при сгорании, и оба элемента азот и кислород связываются, образуя таким образом окисные соединения азота (МОх выбросы), которые представляют собой вредные побочные продукты,основной элемент смога. Оба рабочих состояния(обогащенное и обедненное) дают вредные вЬ 1 бросы, способствующие образованию смога.Стехиометрическое соотношение. В соБРСМСННЬТХ ДВИГЗТСЛЯХ, В КОТОРЫХ ориентация все больше идет на экономию топлива и снижение выбросов, соотношение воздух-топливо должно контролироваться очень тщательно. Идеальное соотношение воздух-топливо то, которое дает наиболее полное сжигание и лучший компромисс между обогащенной и обедненной смесями 14,7:1 соотношение выражено в единицах массы и смесь не является ни обогащенной, ни обедненной. На языке современных технологий и производителей транспортных средств стехиометрическое соотношение можно выразить как востребованность воздуха двигателями и называют это фактором избытка воздуха или Лямбдой. При стехиометрическом соотношении, когда количество воздуха соответствует количеству необходимому для полноГО СЯСИГЗНИЯ ТОПЛИВЗ И ИЗОЬТТКЗ ВОЗДУХЗ НСТ Лямбда = 1. При избытке воздуха (коэффициент воздух-горючее меньше стехиометрического) Лямбда будет больше единицы. При недостатке воздуха (коэффициент воздух-горючее выше стехиометрического) Лямбда будет меньше единицы. Это понятие Лямбды (фактора избЬ 1 т ка воздуха) было введено для выражения потребности в воздухе двигателей, работающих на ЗЛСКТрОННОМ ВПРЬТСКИВЗНИИ ТОПЛИВЗ, В КОТОРЫХ измеряется всасывающий поток воздушной массы и компьютер определяет соответствующее количество впрыскиваемого топлива. Старые карбюраторные системы обладают тенденцией подавать смесь более богатую, чем идеальное соотношение воздух-горючее, и поток воздуха через карбюраторы всасывает пропорциональные количества топлива из диффузора (трубки Вентури). Другими словами, каждый раз, когда термин воздух появляется в этом описании,имеется ввиду, каким способом и сколько кислорода подается к двигателю, а также образоваъше возможных вредных побочных продуктов,ПОПЗДЗЮЩИХ В ВЬТХЛОПНЬТС ГЗЗЬТ.Недостатки и ограничения в работе двигателя касаются ограничений и неудобств, отноСЯЩИХСЯ К КОНСТрУКЦИИ ДВИГЗТСЛЯ, КОТОрЫС ОТрицательно влияют на правильную подачу воздуха для процесса сжигания и способствуют неполному сжиганию и выбросам вредных продуктов сжигания в атмосферу.Основной недостаток. Хорошо известно,что в карбюраторных двигателях и двигателях с впрыскиванием через дроссель (централизованным впрыскиват-Шем) горючее И воздух подаются вместе системой подачи топлива, в которой образование потока воздуха из атмосферы (при атмосферном давлении) производится за счет низкого давления разрежения, образующегося в процессе всасывания. Этот всасываемый поток воздуха принимает распыленное топливо (поступающее из трубки Вентури или топливных форсунок), чтобы подвести его, смешанное с воздушным потоком, текущим через всасЬ 1 вающшй трубопровод, к камере сгорания для восПЛЗМСНСНИЯ.МНОЖССТВСННОМ ВПрЬТСКИВЗНИИ топлива (впрыскивание через несколько сопел) топливо распыляется форсунками через отверстия, расположеьшые во всасывающем трубопроводе очень близко к впускным клапанам. В обоих случаях и в старых, и совремештых сисТСМЗХ ПОДЗЧИ ТОПЛИВЗ ОСНОВНЫМ ограничением являются регуляторы дроссельной заслонки,которые ограничивают эту подачу воздуха. Эта совместная подача топлива и ограниченного объема воздуха создает неправильное соотноШСНИС МСЖДУ НИМИ, ЧТО ЯВЛЯСТСЯ НСДОСТЗТКОМ не ТОЛЬКО КОНСТРУКЦИИ ДВИГЗТСЛЯ, НО И рСЯШМОВ работы ДВИГЗТСЛЯ И СИСТСМЬТ подачи ТОПЛИВЗ В разных положениях дроссельной заслонки и переменных разрежения, что создает такие проблемы как: недостаточное испарение и осаждение жидкого топлива на коленах, стенках и в отверстиях всасывающего трубопровода; неравномерное распределение воздушно-топливной смеси в каждом из цилиндров; обогащенные или обедненные смеси в разных рабочих состояниях. Все эти проблемы приводят к перерасходу топлива из-за его частичного сгорания, частьтоплива не сжигается, а преобразуется во вредные побочные продукты. Кроме того, в карбюраторных ДВИГЗТСЛЯХ НСЛЬЗЯ УВСЛИЧИТЬ ПОТОК воздуха, проходящего через систему подачи топлива, не обеспечив одновременно экстракцию и всасывание дополнительного количества топлива. Следовательно, это объясняет неудобную взаимозависимость, возникающую из совместной подачи воздуха И топлива, которая не позволяет подавать дополъштельный воздух обычшям ограниченным впуском. С другой сторошя, чтобы снизить расход топлива, следует,очевидно, сократить количество поступающего ТОПЛИВЗ. ДЛЯ ЭТОГО МЫ ДОЛЭКНЪТ УМСНЬШИТЬ ДИЗметр каналов, расположенных на внутренних частях (ребрах, трубках Вентури, форсунках),ЧСрСЗ КОТОРЬТС ТСЧСТ ТОПЛИВО В СИСТ СМС подачи,или сократить периодичность импульсов (электронное впрыскивание). Такое сокращение может быть настолько заметшям, что будет очень легко определить уменьшенное количество воздуха для нужного соотношения в смеси и провести сжигание всего уменьшенного количества топлива с минимальной выработкой остатков и выбросов. Но и выброс энергии в результате сгорания будет снижен, а следовательно и мощность. Из вышесказанного можно сделать вывод, что сокращение подачи топлива, как таковое, наносит ущерб мощности двигателя. Такие проблемы и ограничения можно решить и это одна из задач нашего изобретения.4. Краткое изложение известного уровняЗа последние несколько лет предпринимаЛИСЬ МНОГОЧИСЛСННЬТС ПОПЬТТКИ, НЗПРЗВЛСННЬТС, В основном, на поиск способов снижения потребления бензшта и улучшение эффективности сгорания, и в то же время на сокращение выброса выхлопов и дымов в атмосферу. Было разработано И ВВСДСНО МНОЖССТВО НОВЬТХ ТСХНОЛОГИЙ И предложена масса изобретений, направленных на то, чтобы исправить определенные недостатки в карбюраторных двигателях и двигателях с ЦСНТРЗЛИЗОВЗННЬТМ ВПРЬТСКИВЗНИСМ, ТЗКИС КаК неполное испарение бензина в воздушноТОПЛИВНЬТХ СМССЯХ ДЛЯ РЗЗЛИЧНЫХ СОСТОЯНИЙ движения, неравномерное распределение топлива в цилиндрах, недостаточность поступления воздуха во время ускорения или кислородная недостаточность. Чтобы избавиться от этих недостатков, были разработаны разные устройства для образования микровихревых потоков с воздухом на звуковых скоростях, испареъше горячим воздухом, Впрыскивание воздуха, контролируемое: мембранами, клапанами, поршнями,или каналами с узкими отверстиями и небольшими жшлерами. Другие способы и устройства впрыскивают только чистый кислород или смешанный с воздухом. Проанализировав подробно каждую из этих систем и устройств, можно заметить, что НИ одна из них не предназначена для снижения количества топлива, как такового,поступающего в камеру сгорания. Тем не менее, МОЖНО ЗЗМСТИТЬ, ЧТО ОНИ ПОЗВОЛШОТ ВВОДИТЬ предварительно отфильтрованнЬЦЙ воздух в некоторых случаях периодически, а в других случаях непрерывно, иногда окружающий воздух вводится под давлением. Большинство из систем подсоединяют до системы подачи топлива либо через контрольный клапан, либо напрямую к всасывающему трубопроводу. Но все они обпадают недостатками и ограничениями из-за блокирования поступления необходимого обьема дополнительного воздуха.Чтобы понять дозированную подачу воздуха через устройства, следует объяснить значение вакуума (разрежения) в значении Абсолютного давления. Разреженность во всасЬ 1 вающем трубопроводе обычно обозначают в дюймах ртутного столба (или мм рт.ст.). 29,92 дюйма рт.ст. - 760 мм рт.ст. представляет собой разницу между стандартным атмосферным давлением над уровнем моря и абсолютным вакуумом. Используя атмосферное давление в качестве отправного нуля, любое меньшее давление в трубопроводе выражают как отрицательную величину-вакуум, предполагающую сильную внезапную тягу воздуха. С другой стороны, используя абсолютное давление в качестве стандартной точки, поршень на такте впуска создает очень низкое давление в цилиндре, приближающееся к нулевому абсолютному давлению или максимальному абсолютному вакууму. За пределами двигателя атмосферное давление всегда имеет положительную величину, и она постоянно давит на дроссельный клапан, который разделяет противоположные давления и регулирует всасываемый поток воздуха. Заполняя образовавшийся вакуум входящий воздух смешивается с определенным количеством топлива и, сгорая, обеспечивает соответствующие мощность и скорость вращения двигателя. Так работает двигатель с обычной дозированной подачей воздуха. нерегулируемая подача дополнительного воздуха другим путем (устройством) вызовет резкое снижение отрицательного давления вакуума (низкого абсолютного давления) внезапным его сведением к нулю положительным атмосферным давлением (высоким абсолютным давлением) с результатом мгновенной компенсации (быстрого уравнивания) обоих давлений, без повышения оборотов в минуту, что приведет к неисправностям и нарушению реэкима работы двигателя, пока он не заглохнет.СОВРСМСННЬТС ТСХНОЛОГИИ. УСТЗНОВЛСННЬТС правительством стандарты на содержание вредНЫХ ВСЩССТВ В ВЬТХПОПЗХ И ИЗЛИШНИЙ расход топлива настоятельно требуют сохранения окружающей среды в глобальном масштабе и экономии топлива. На протяжении последних 30 лет производители автомобилей постоянно работают в этом направлении с тем, чтобы придерживаться обязательных стандартов на экоНОМШО ТОПЛИВЗ И ограничение ВрСДНЬТХ ВЬТХЛО 000254пов в атмосферу. Единственный путь достижения этих целей - введение автоматизированного КОНТРОЛЯ ДВИГЗТСЛЯ И ВПРЬТСКИВЗНИЯ ТОПЛИВЗ. В отличие от карбюраторов, дроссельный клапан контролирует (ограничивает) только потоки воздуха в двигатель, а системы впрыскивания топлива подают горючее, нагнетая его во входящий воздушный поток. Объем входящего воздуха измеряется датчиками воздушного потока или воздушной массы, сигналы, полученные компьютером, заставляют топливо поступать В ТОЧНЪТХ КОЛИЧССТВЗХ. МНОГОТОЧСЧНЬТС СИСТСМЬТ ПОДЗЮТ ТОПЛИВО В ВПУСКНЪТС КЗНЗЛЬТ двигателя у впускных клапанов. Это означает,что всасывающий трубопровод подает только воздух в отличие от карбюраторов или одноточечных (централизованных) систем впрЬ 1 скивания горючего, в которых всасывающий трубопровод несет воздушно-топливную смесь. В конечном итоге эти системы предлагают следующие преимущества: (1) меньше изменений в воздушно-топливном соотношении; (2) подача топлива регулируется под специфические рабочие условия; (3) плавность движения, благодаря сокращению запаздывания при ИЗМСНСНИИ положения заслонки, что происходит, пока топливо течет из карбюратора или дросселя к впускным отверстиям; (4) лучшая экономия топлива ПрИ ОТСУТСТВИИ КОНДСНСЗЦРШ ЖИДКОГО ТОПЛИВЗ на внутренних стенках впускного трубопровода(смачивание трубопровода); (5) при выключеНИИ зажигания ДВИГЗТСЛЬ не работает ВХОЛОстую. Кроме того, датчик истощения кислорода(датчик Лямбда) и контрольный модуль (компьютер) образуют систему воздушноТОПЛИВНОГО СООТНОШСНИЯ С ЗЗМКНУТЬТМ ВИТКОМ,которая непрерывно регулирует смесь изменеНИСМ ИМПУЛЬСНОГО ВрСМСНИ ВПРЬТСКИВЗНИЯ ТОПлива. В нормальной тепловой операции датчик кислорода генерирует высокое напряжение, поскольку смесь богатая, таким образом контрольный модуль снижает импульсное время,чтобы обеднить смесь. Напряжение датчика кислорода падает, и контрольный модуль повышает импульсное время, чтобы обогатить смесь. Контроль замкнутой системы воздушнотопливного соотношения работает быстро и непрерывно для поддержания воздушнотопливного соотношения как можно ближе к стехиометрическому, поскольку этот контроль не может поддерживать воздушно-топливную смесь в нужном диапазоне. Успешная работа трехходового каталитического преобразователя требует, чтобы воздушно-топливный коэффициент поддерживался на Лямбде = 1. На этой величине выбросы всех трех загрязнителей (Мох,СО и остаточного НС) снижаются до минимального уровня. Из-за введения допустимых норм на выхлопные выбросы и необходимости наличия трехходового каталитического преобразователя. Лямбда-датчик (датчик кислородавыхлопа) устанавливают практически на каждоймашине, вьшущенной после 1981 г., независимо от того, отечественная она или импортная, с карбюратором или впрыскиванием топлива. Каталитические преобразователи контролируют выбросы и избавляют от необходимости частой ОТЛЗДКИ ДВИГЗТСЛЯ. КрОМС ТОГО, ПРЗВИТСЛЬСТВСНное постановление устанавливает средний стандарт расхода горючего в милях на галлон (м/г км/л), которого должен придерживаться каждый производитель для всех произведенных за год машин. Более того, этот стандарт м/г (км/л) каждый год повышается, в 1978 г. он составлял 18 м/г (29 км/4,5 л), а в 1990-х годах поднялся до 27,5 м/г (44 ши/4,5 л). Возникает резонный вопрос: почему О вредных выбросах в связи с ЧЗСТИЧНЫМ сгоранием МЫ ГОВОрИЛИ раньше. Контролируемые безвредные выбросы Мох и углекислого газа (СО; - парниковый эффект) будут обсуждаться ниже. До недавнего времени углекислый газ (СО;) считали безвредным вь 1 бросом. Но теперь его необходимо рассмотреть с точки зрения вклада в парниковый эффект. Недавние исследования показывают, что СО; накапливается в верхних слоях атмосферы,удерживая тепло от земли так, как стекло удерЯСИВЗСТ ТСПЛО В парнике. БОЛЬШИНСТВО УЧСНЫХ полагает, что глобальное потепление лишь на несколько градусов будет иметь катастрофические последствия для планеты.В результате глобального повышения температуры, появления последующих тепловых волн и таяния айсбергов уровень океана ПОДНИмется и на всей планете затопит участки суши на побережьях. Любое сжигание ископаемого топлива (даже полностью сгоревшего) производит углекислый газ. На каждый галлон сояокенНОГО ТОПЛИВЗ ЧСрСЗ ВЫХЛОПНЫС СИСТСМЫ вЬ 1 брасЬ 1 вается около 750 футов 3 (21,2 м 3) невидимого СО;, (в два раза больше объема средней машины). В отличие от других побочных продуктов сгорания (НС, СО, МОх) СО; нельзя обработать,чтобы избавиться от его вредных воздействий. Снижение СО; требует снижения количества сжигаемого топлива. Цель этою изобретения повысить эффективность до ее оптимального уровня.Обеспечение неограничительного устройства, которое позволяет введение дополнительного воздуха через впускной трубопровод, избегая внутренней декомпенсации двигателя, и которое позволяет в то же время снизить СО; и расход топлива без потери мощности - другая основная цель этого изобретения.На протяжении последнего полувека до сеГОДНЯШНСГО ДНЯ ПрШИСНЯЛИ ДВИГЗТСЛИ ВНуТрСНнего сгорания, которые работают как воздушновакуумнЬ 1 е насосы. Поршень, движущийся вниз на такте впуска, создает в цилиндре вакуум (более низкое давление, чем атмосферное). Теоретически количество воздуха, которое забирается двигателем, определяют объемом и оборотами в минуту. Для описания того, насколько хорошодвигатель всасывает воздух и определения точной величины в сравнении с теоретическими 100%, используют термин волюметрическая эффективность. На практике есть несколько факторов, которые снижают теоретический максимум: (1) Клапанное распределение ограничивает количество воздуха, которое забирается ПрИ ДВИЖСНИИ ПОрШНЯ ВНИЗ ИЛИ ВЫТЗЛКИВЗНРШ на такте выхлопа. (2) Волюметрическая эффективность снижается на такте впуска: воздушным фильтром, дроссельной заслонкой (карбюраторами), датчиком воздушного потока (вентиляТОрНОГО ТИПЗ, И пластинами ДЗТЧИКЗ, ИСПОЛЬзуемЬ 1 ми в впрыскивангш топлива), дросселем,и всасывающим трубопроводом и отверстиями. Они тормозят свободный поток воздуха в камеру сгорания. (3) Кроме того, волюметрическую эффективность снижают ограничения системы выхлопа: выхлопные патрубки, каталитические преобразователи, глушители. Более того, в сегодняшних наиболее современных двигателях применяют широко открытый дроссель с диапазоном 70-80% в то время как диапазон старых карбюраторных систем - 50-60%. Когда дросССЛЬНЪ 1 Й КПЗПЗН ОТКРЫТ ПОЛНОСТЬЮ, НИКЗКИХ ограничений нет и во всасывающий трубопровод идет полное атмосферное давление. Это создает наибольшую возможную разницу между давлением в трубопроводе и давлением в цилиндре и наибольший всасывающий поток воздуха. Наименьший всасывающий поток воздуха бывает, когда дроссельный клапан почти закрыт. Ограничение дроссельного клапана ограничивает действие атмосферного давления. Между давлением в трубопроводе и низким давлением (вакуумом) в цилиндрах небольшая разница, очевидно воздушный поток очень слабый. Здесь можно задать вопрос, каков же диапазон волюметрической эффективности для этого состояния Безусловно не все двигатели работают в условиях широко открытого дросселя. Обычно в этом состоянии (с максимальной волюметрической эффективностью) они работают очень короткое время; большую часть времени они работают: в холостую, по инерции или с ускорением при частично открытом дросселе (дроссель почти закрыт, что предполагает низкую волюметрическую эффективность). Это ограничение работы создает экстремальное условие вакуума (низкое давление), предполагающее,ЧТО ПОрШНИ ДОЛЯСНЫ ВСЗСЫВЗТЬ ВОЗДУХ ИЗ практически закрытого внутреннего пространства,которое фактически пустое. Это происходит при ДВШКСНИИ поршня вниз (такте впуска), результатом которого является отрицательная работа,т.е. неэффективная работа, при которой мощность, вызванная вспышкой, пропадаег, и при ЭТОМ ПОТрСбЛШОТСЯ ДОПОЛНИТСЛЬНЫС КОЛИЧССТВЗ топлива, чтобы произвести эту мощность. Вакуум обладает способностью постоянно всасывать разные объемы воздуха, в зависимости от внутреннего движения поршня и количества оборо