Способ смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

 

Использование: двигателестроение. Изобретение обеспечивает всережимную интенсификацию смесеобразования. Сущность изобретения: предварительно подготавливают поток С топливно-воздушной смеси для подачи в камеру сгорания, формируют отдельные газовые струи ГС вне зоны П подачи топливно-воздушной смеси. Газовые струи ГС подают в поток С топливно-воздушной смеси в точках T₁, T₂ , разнесенных по периферии поперечного сечения потока С топливно-воздушной смеси. На участке (А-А) формирования газовой струи ГС возбуждают в каждой струе акустические колебания. Устройство имеет корпус 1 с каналом 2 для подачи топливно-воздушной смеси, подводящий канал 3 для подачи газа в канал 2 для подачи топливно-воздушной смеси и множество газовых каналов 5, сообщающих подводящий канал 3 с каналом 2 для подачи топливно-воздушной смеси. Впускной участок каждого газового канала 5 сообщен с подводящим каналом 3 посредством дросселирующего канала 6, обеспечивающего по меньшей мере критический перепад давления между подводящим каналом 3 и впускным участком газового канала 5. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а конкретнее к способу смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания и устройству для его осуществления.

Предлагаемое способ и устройство найдет широкое применение в двигателях внутреннего сгорания как наземных, так и воздушных и водных транспортных средств, а также в стационарных двигателях внутреннего сгорания.

Известно, что в процессах смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания, когда частицы топлива смешиваются с воздухом, необходимым для сгорания, и происходит дробление этих частиц и их перемешивание с воздушным потоком, важно обеспечить как максимальную степень дробления частиц топлива, так и равномерность их перемешивания, то есть однородность смеси по содержанию воздуха и топливных частиц. От этого зависит полнота сгорания смеси, следовательно, КПД двигателя, токсичность выхлопных газов и долговечность деталей системы газораспределения.

Известны способ и гомогенизатор топливо-воздушной смеси для обработки потока топливо-воздушной смеси акустическими колебаниями с целью интенсификации смесеобразования. При этом акустические колебания возбуждают формированием высокоскоростных газовых струй в точке, расположенной в зоне движения потока приготовленной топливо-воздушной смеси, что улучшает сгорания благодаря увеличению степени дробления частиц топлива.

При таком способе необходимо использовать источник акустических колебаний высокой энергии, так как необходимо воздействовать на топливо-воздушную смесь равномерно по обрабатываемой части поперечного сечения канала для подачи топливо-воздушной смеси. При этом невозможно обеспечить равномерность воздействия на поток топливо-воздушной смеси из-за ослабления влияния точечного источника акустических колебаний по мере удаления от источника. Все это снижает эффективность такого способа и делает его практическое применение неоправданным.

Гомогенизатор топливо-воздушной смеси выполнен в виде газоструйного излучателя, представляющего собой подводящий трубопровод, соединенный с источником газа под давлением, и группу выпускных отверстий для истечения высокоскоростных струй. Выпускные отверстия размещены в средней части канала для подачи топливо-воздушной смеси. При этом, в дополнение к указанным выше недостаткам, трубопровод и головка с выпускными отверстиями загромождают поперечное сечение потока топливо-воздушной смеси, нарушая газодинамическую структуру потока, что приводит к дополнительной неравномерности получаемой смеси по составу компонентов и размерам топливных части. Кроме того, струйный излучатель представляет собой точный прибор, требующий специальной калибровки.

Указанные выше недостатки известных способа и гомогенизатора привели к тому, что они не получили практического применения. В любом случае, применение их на серийных и массовых двигателях внутреннего сгорания представляется весьма нецелесообразным.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является известный способ смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания, при котором предварительно подготавливают топливо-воздушную смесь для подачи в камеру сгорания в виде по меньшей мере одного потока через зону подачи топливо-воздушной смеси, формируют отдельные газовые струи вне зоны подачи топливо-воздушной смеси и подают их в по меньшей мере один поток топливо-воздушной смеси, предварительно подготовленной для подачи в камеру сгорания, в точках, разнесенных по периферии потока топливо-воздушной смеси.

При таком способе смесеобразования обеспечивается равномерность перемешивания топливо-воздушной смеси по всему сечению потока, что обеспечивает равномерный состав смеси как по содержанию компонентов, так и по размерам топливных частиц. Это объясняется равномерным распределением газовых струй по сечению потока топливо-воздушной смеси и равномерным подводом энергии газовых струй во все точки обрабатываемого поперечного сечения потока.

Вместе с тем, указанный способ, обеспечивающий хорошие результаты на низких и номинальных режимах работы двигателя внутреннего сгорания, не в состоянии улучшить показатели работы двигателя внутреннего сгорания на высоких и форсированных режимах, что ограничивает преимущества данного способа. Это связано с тем обстоятельством, что энергия газовых струй, вводимых в поток топливо-воздушной смеси, оказывается недостаточно при высоких степенях разрежения в потоке топливо-воздушной смеси, имеющем высокую скорость на высоких и форсированных режимах двигателя. Вместе с тем, качество смеси и полнота ее сгорания на этих режимах работы является определяющим не только для КПД и токсичности выхлопных газов, но, что особенно важно, для долговечности деталей системы газораспределения. С этой точки зрения представляется весьма важным расширить возможности известного способа смесеобразования.

Известно устройство для смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания, содержащее корпус с по меньшей мере одним каналом для подачи топливо-воздушной смеси, подводящий канал для подачи газа в канал подачи топливо-воздушной смеси, и множество газовых каналов, разнесенных по периферии канала для подачи топливо-воздушной смеси и сообщающих подводящий канал с каналом для подачи топливо-воздушной смеси.

Это устройство обеспечивает подачу в канал для подачи топливно-воздушной смеси множества отдельных газовых струй, формируемых вне указанного канала и перекрывающих большую часть поперечного сечения канала. При этом обеспечивается подвод дополнительной энергии к потоку топливо-воздушной смеси, а также независимое от канала регулирования подвода воздуха для сгорания топлива в камере сгорания двигателя.

Указанное устройство, как указано выше, не обеспечивает всережимного улучшения показателя топливо-воздушной смеси, что ограничивает его преимущества.

В основу изобретения положена задача создания таких способа и устройства для смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания, в которых энергия газовых струй, подаваемых в поток топливо-воздушной смеси, направляемый в камеру сгорания, была бы достаточной для интенсификации смесеобразования на любых режимах подачи топливо-воздушной смеси без механического загромождения потока топливо-воздушной смеси.

Получаемый при этом технический результат выражается во всережимной интенсификации смесеобразования.

Поставленная задача решается тем, что в способе смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания, заключающемся в том, что предварительно подготавливают топливо-воздушную смесь для подачи в камеру сгорания в виде по меньшей мере одного потока через зону подачи топливо-воздушной смеси, формируют отдельные газовые струи вне зоны подачи топливо-воздушной смеси и подают их в по меньшей мере один поток топливо-воздушной смеси, предварительно подготовленный для подачи в камеру сгорания в точках, разнесенных по периферии поперечного сечения потока топливо-воздушной смеси, в соответствии с изобретением, на участке формирования струи возбуждают в каждой газовой струе акустические колебания.

При таком с способе энергия акустических колебаний передается топливо-воздушной смеси каждой газовой струей, то есть практически по всему обрабатываемому поперечному сечению топливо-воздушной смеси. При этом повышается энергия, которую каждая струя вносит в поток топливо-воздушной смеси, как на низких и номинальных режимах, так и на высоких и форсированных режима работы двигателя. Все это делает предлагаемый способ более эффективным и всережимным.

Важным преимуществом предлагаемого способа является возбуждение акустических колебаний в каждой газовой струе, что не требует большой мощности источника акустических колебаний (по сравнению с мощностью, которую необходимо подводить ко всему потоку топливо-воздушной смеси). При этом энергия акустических колебаний подводится газовыми струями в определенные разнесенные по поперечному сечению потока топливо-воздушной смеси точки, что обеспечивает дробление топливных частиц независимо от параметров динамики потока топливо-воздушной смеси.

Акустические колебания возбуждают путем создания режима по меньшей мере критического истечения на участке формирования газовой струи. При этом создание режима критического или сверхкритического истечения газовой струи, как известно из газовой динамики, приводит к возбуждению в газовой среде акустических колебаний с чередующимися зонами повышенного и пониженного давления. Под режимом критического истечения понимается режим давления газовой среды, при котором скорость газовой среды становится равной скорости звука. В этом режиме возникают зоны повышенных и пониженных скоростей, что вызывает генерирование акустических колебаний. При этом возбуждение акустических колебаний в значительной мере упрощается, так как создание режима критического истечения может быть достигнуто самыми простыми техническими средствами, например, подбором сечения каналов для выпуска газовых струй. При этом не требуется никаких особых калибровок и регулировок.

Газовые струи закручивают относительно собственных осей. При этом дополнительно интенсифицируется процесс перемешивания топливо-воздушной смеси, то есть усиливаются массообменные процессы с сохранением эффекта акустических колебаний.

Поставленная задача также решается тем, что в устройстве для смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания, содержащим корпус с по меньшей мере одним каналом для подачи топливо-воздушной смеси, подводящий канал для подачи газа в канал для подачи топливо-воздушной смеси, и множество газовых каналов, разнесенных по периферии канала для подачи топливо-воздушной смеси, и сообщающих подводящий канал с каналом для подачи топливо-воздушной смеси, в соответствии с изобретением, впускной участок каждого газового канала сообщен с подводящим каналом посредством дросселирующего канала, обеспечивающего по меньшей мере критический период давления между подводящим каналом и впускным участком газового канала.

Очевидно, что поскольку впускной участок каждого газового канала сообщен с подводящим каналом посредством дросселирующего канала, то есть средство для возбуждения акустических колебаний размещено со стороны впускного участка газового канала, обеспечивается возбуждение акустических колебаний на участке формирования каждой газовой струи, расположенном вне поперечного сечения потока топливо-воздушной смеси, то есть канал для подачи топливо-воздушной смеси остается свободным от каких-либо механических устройств. В результате устройство не оказывает отрицательного воздействия на динамику потока топливно-воздушной смеси. Кроме того, устройство обеспечивает подвод дополнительной энергии акустических колебаний к различным частям поперечного сечения потока топливо-воздушной смеси с автоматическим регулированием интенсивности акустического воздействия на поток топливно-воздушной смеси. Это происходит потому, что режим истечения газовых струй определяется степенью разрежения в канале для подачи топливо-воздушной смеси. При этом обеспечивается не только всережимная интенсификация смесеобразования, но и автоматическое регулирование такой интенсификации.

Оси дросселирующего канала и газового канала могут быть расположены параллельно друг другу. При таком устройстве обеспечивается упрощение технологии изготовления устройства, так как при этом не требуется выдерживать точность взаимного расположения отверстий.

Дросселирующий канал может быть расположен по касательной к газовому каналу. При этом обеспечивается закрутка газовой струи одновременно с возбуждением в ней акустических колебаний. Такая закрутка обеспечивает дополнительное динамическое воздействие на поток топливо-воздушной смеси, в частности, дополнительное перемешивание и дробление частиц топлива. Это повышает эффективность устройства.

Газовые каналы в поперечном сечении могут быть в форме фигуры, имеющей наибольший размер в плоскости поперечного сечения канала для подачи топливо-воздушной смеси. При этом упрощается конструкция и уменьшается один из габаритов устройства. Кроме того, увеличивается перекрытие поперечного сечения потока топливо-воздушной смеси газовыми струями. Следует отметить, что такое поперечное сечение газовых каналов обеспечивает получение плоских струй, в которых возрастает доля продольных составляющих акустических колебаний. Такое перераспределение энергии акустических колебаний в газовой струе повышает интенсивность перемешивания компонентов топливо-воздушной смеси.

На фиг.1 показан предлагаемый способ смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания в продольном разрезе; на фиг.2 - разрез II-II на фиг.1; на фиг.3 - поперечный разрез предлагаемого устройства для смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания; на фиг.4 - схематичное изображение впускного участка газового канала (увеличено); на фиг.5 - схематичное изображение варианта выполнения впускного участка газового канала (увеличено); на фиг. 6 - частичный вид предлагаемого устройства, показанного на фиг.3 с вырезом, на котором показан вариант выполнения газового канала с тангенциальным расположением дроссельного канала; на фиг.7 - разрез VII-VII на фиг. 6 (увеличено); на фиг.8 представляется пространственное изображение газового канала с поперечным сечением прямоугольной формы на виде изнутри канала для подачи топливо-воздушной смеси (увеличено).

Предлагаемый способ смесеобразования осуществляют следующим образом (в дальнейшем все примеры даны применительно к карбюраторному двигателю внутренного сгорания, что не ограничивает область применения предлагаемого способа). Как показано на фиг.1, в зону П подачи потока С топливо-воздушной смеси в камеру сгорания двигателя направляют отдельные газовые струи ГС. Топливо-воздушную смесь приготовляют любым известным способом, например, с помощью карбюратора, обеспечивающего распыление топлива с дроблением частиц топлива и перемешиванием их с воздуха за счет разрежения в зоне П. Возможны и другие способы распыления и смешения, например, при подаче топлива форсункой. Отдельные газовые струи ГС подают в поток С топливно-воздушной смеси в точках Т1, Т2, разнесенных по периферии потока С топливно-воздушной смеси (фиг.2), например, таким образом, что оси газовых струй (не обозначены) направлены по хордам к воображаемой окружности, показанной пунктиром на фиг.2.

В соответствии с изображением, на участке А-А формирования газовых струй ГС, то есть вне зоны П подачи потока С топливно-воздушной смеси (фиг. 1) возбуждают акустические колебания. Такие колебания возбуждаются любым известным способом: подводом колебательной энергии извне (например, с применением излучателей акустических колебаний), либо применением механических или газодинамических средств возбуждения колебаний.

В соответствии с изобретением, акустические колебания возбуждают путем создания режима критического или сверхкритического истечения на участке формирования газовой струи. Подробно конкретное наиболее целесообразное средство возбуждения акустических колебаний будет описано ниже. В любом случае, способ возбуждения акустических колебаний не окажет существенного влияния на результат изобретения. При этом параметры акустических колебаний могут быть подобраны специалистами в зависимости от расхода и скоростей потока топливо-воздушной смеси.

Следует отметить, что конкретные параметры акустических колебаний, не скажут существенного влияния на эффект от применения способа, поскольку любые акустические колебания, возбуждаемые в газовых струях ГС, внесут дополнительную энергию в поток топливо-воздушной смеси в зоне П, что окажет положительное влияние на высоких и форсированных режимах работы двигателя (не показан). При поступлении газовых струй ГС в зону П происходит дополнительное перемешивание топливно-воздушной смеси струями ГС, перекрывающими поперечное сечение потока топливно-воздушной смеси (или его часть).

На низких и номинальных режимах работы двигателя внутреннего сгорания, разрежение в зоне П остается на низком или среднем уровне, что определяет низкую или среднюю скорость движения потока топливно-воздушной смеси. На этих режимах газовые струи ГС способны оказывать существенное влияние на поток топливо-воздушной смеси и его компоненты. При повышении расхода топливо-воздушной смеси (например, при сильном открытии дроссельной заслонки карбюратора) увеличивается разрежение в зоне П, что приводит к увеличению расхода воздуха и топлива через зону П с соответствующим увеличением скоростей и кинетической энергии компонентов потока топливо-воздушной смеси.

Возбуждение акустических колебаний на участках А-А формирования струй ГС обеспечивает дополнительный подвод колебательной энергии к газовым струям, которые, в свою очередь, подводят эту дополнительную энергию в различные точки потока топливно-воздушной смеси. Такой распределенный подвод колебательной энергии в различные точки зоны П потока топливно-воздушной смеси обеспечивает равномерность воздействия этой энергии на поток и его компоненты. Кроме того, возбуждение акустических колебаний в газовых струях ГС обеспечивает подвод дополнительной энергии к потоку топливно-воздушной смеси таким образом, что полной кинетической энергии газовых струй оказывается достаточной для воздействия на поток и его компоненты при высоких скоростях и расходах потока топливно-воздушной смеси. Этим обеспечивается всережимная интенсификация смесеобразования.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства, представленного на фиг.3. Это устройство представляет собой карбюратор, имеющий корпус 1 с двумя каналами 2 для подачи топливно-воздушной смеси, образующими зоны П (фиг. 1). В корпусе 1 выполнены кольцевые каналы 3 для подачи газа, например, воздуха в каналы 2 для подачи топливно-воздушной смеси, которые сообщаются с источником газа, например, с атмосферой каналом 4. В корпусе 1 выполнено множество газовых каналов 5, разнесенных по периферии каналов 2 для подачи топливно-воздушной смеси. Оси этих каналов 5 ориентированы, например, по хордам окружности поперечного сечения каналов 2. Газовые каналы 5 сообщаются с кольцевыми каналами 3 для подачи газа через дроссельные каналы 6. Как хорошо известно из газодинамики, наличие на впускном участке канала 5 дроссельного канала 6 приводит к созданию режима критического (сверхкритического) истечения. Расчет соотношения сечений дроссельного и газового каналов для получения таких режимов может быть выполнен любым специалистом для конкретных размеров и других параметров устройства.

Газовые каналы 5 и дроссельные каналы 6 могут быть круглого сечения и могут быть соосными (фиг.4), либо их оси могут быть параллельными (фиг.5), В последнем случае упрощается технология изготовления устройства, так как не требуется точной соосности отверстий. В то же время, несоосность каналов не вызывает никаких существенных изменений в эффекте акустических колебаний.

Дроссельный канал 4 (фиг.6, 7) расположен по касательной к газовому каналу 5. При таком устройстве обеспечивается тангенциальный подвод газа к газовому каналу.

Газовый канал 5 (фиг.8) имеет наибольший размер В в плоскости поперечного сечения канала 2. При этом очевидно, что поперечное сечение канала 5 может быть прямоугольным, эллиптическим, ромбическим и тому подобным. Дроссельный канал 6 в этом случае может быть как круглым, так и любого другого, например, щелевого сечения. Такое выполнение имеет два преимущества. Во-первых, при током выполнении каналов 5 уменьшается размер устройства в осевом направлении. Во-вторых, такое выполнение канала 5 обеспечивает получение плоскости струи, хорошо известной в газодинамике. Плоская струя характеризуется преобладанием продольной составляющей акустических колебаний. Кроме того, плоская струя обеспечивает большее перекрытие поперечного сечения потока топливно-воздушной смеси газовой струей.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При работе двигателя внутреннего сгорания (не показан) топливно-воздушная смесь приготовляется, например, в карбюраторе и поступает через каналы 2 к камере сгорания двигателя (фиг. 3). Воздух из атмосферы засасывается благодаря разрежению, создаваемому движением топливно-воздушной смеси в каналах 2, через канал 4 и поступает в каналы 3 для подачи газа. Из каналов 3 воздух поступает в газовые каналы 5 через дроссельные каналы 6. При поступлении воздуха во впускные участки каналов 5 из дроссельных каналов 6 устанавливается критический или сверхкритический режим истечения струи, и воздушные струи поступают в каналы 2 с возбужденными в них на участках формирования акустическими колебаниями. Следует отметить, что участки формирования воздушных струй находятся в зонах сопряжения каналов 5 и 6, то есть вне каналов 2.

При работе двигателя на низких и номинальных режимах акустические колебания не оказывают существенного влияния на качество смесеобразования, качество которого в основном определяется энергией воздушных струй, поступающих в каналы 2. При этом воздушные струи осуществляют дополнительное перемешивание компонентов топливно-воздушной смеси и дробление частиц топлива. Расход воздуха, подаваемого в виде воздушных струй и являющегося окислителем топлива, может регулироваться, однако не имеет непосредственного отношения к настоящему изобретению.

При переходе двигателя на высокий или форсированный режим резко возрастает расход топливно-воздушной смеси, что приводит к увеличению разрежения и скорости движения потока в каналах 2. При этом энергия собственно воздушных струй, оказывается недостаточной для интенсификации смесеобразования. Благодаря тому, что в воздушных струях возбуждаются акустические колебания в виде зон повышенных и пониженных скоростей движения газовой среды, воздушные струи, истекающие в каналы 2 из каналов 5, вносят дополнительную энергию в различные точки поперечного сечения каналов 2. Это способствует интенсификации смесеобразования на высоких и форсированных режимах.

Варианты устройства, показанные на фиг.4,5, работают аналогичным образом.

В варианте, показанном на фиг. 6,7, отличие заключается в том, что воздушные струи дополнительно закручиваются благодаря тангенциальному расположению дроссельных каналов 6 относительно газовых каналов 5. При этом к эффекту акустических колебаний добавляется эффект вихреобразования, способствующий увеличению перемешивания компонентов топливно-воздушной смеси, то есть к воздействию продольных и поперечных составляющих акустических колебаний воздушных струй добавляется вращательное воздействие на поток топливно-воздушной смеси.

Вариант, представленный на фиг.8, работает аналогичным образом см той лишь разницей, что канал 5 - прямоугольное сечение с наибольшим размером в плоскости поперечного сечения потока топливно-воздушной смеси, обозначенного стрелкой С. При этом обеспечивается истечение плоских струй, перекрывающих большие площади поперечного сечения потока топливно-воздушной смеси, чем обычные струи. Кроме того, в плоских струях увеличена доля продольной составляющей акустических колебаний, что особенно важно при высоких скоростях движения топливно-воздушной смеси.

Очевидно, что возможны и другие варианты осуществления предлагаемого способа и выполнения предлагаемого устройства, не выходящие за пределы сочетания признаков формулы изобретения, однако при любых вариантах возбуждение акустических колебаний на участках формирования газовых струй вне зоны движения потока топливно-воздушной смеси обеспечивает всережимную интенсификацию смесеобразования.

Формула изобретения

1. Способ смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания, заключающийся в том, что предварительно подготавливают топливно-воздушную смесь для подачи в камеру сгорания в виде по меньшей мере одного потока через зону подачи топливно-воздушной смеси, формируют отдельные газовые струи вне зоны подачи топливно-воздушной смеси и подают их в по меньшей мере один поток топливно-воздушной смеси, предварительно подготовленной для подачи в камеру сгорания, в точках, разнесенных по периферии поперечного сечения потока топливно-воздушной смеси, отличающийся тем, что на участке формирования струи возбуждают в каждой газовой струе акустические колебания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что акустические колебания возбуждают путем создания режима по меньшей мере критического истечения на участке формирования газовой струи.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что газовые струи закручивают относительно собственных осей.

4. Устройство для смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания, содержащее корпус с по меньшей мере одним каналом для подачи топливно-воздушной смеси, подводящий канал для подачи газа в канал для подачи топливно-воздушной смеси, и газовые каналы, разнесенные по периферии канала для подачи топливно-воздушной смеси и сообщающих подводящий канал для подачи газа с каналом для подачи топливно-воздушной смеси, отличающееся тем, что впускной участок каждого газового канала сообщен с подводящим каналом для подачи газа посредством дросселирующего канала.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оси дросселирующего канала и газового канала расположены параллельно одна другой.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дросселирующий канал расположен по касательной к газовому каналу.

7. Устройство по пп.4 - 6, отличающееся тем, что газовые каналы в поперечном сечении выполнены в форме фигуры, наибольшим размером в плоскости поперечного сечения канала для подачи топливно-воздушной смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8