Устройство для гомогенизации топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для образования гомогенных топливовоздушных смесей (ТВС) в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и в других тепловых установках. Устройство для гомогенизации топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания содержит корпус, установленный в проточном канале впускного коллектора, турбулизатор, выполненный в виде остроугольного кольцевого выступа, расположенного на внутренней поверхности корпуса в плоскости, перекрывающей поток смеси. В устройство введен по меньшей мере еще один турбулизатор в виде остроугольного кольцевого выступа, расположенный внутри корпуса в плоскости, перекрывающей поток смеси. Внутренний диаметр турбулизаторов уменьшается, остается равным или увеличивается по ходу потока топливовоздушной смеси. Углы наклона принимающих поверхностей выступов турбулизаторов с их плоскостями, проходящими через вершины выступов, находятся в пределах 95-265^o. Углы наклона могут быть одинаковыми или разными у различных турбулизаторов. Технический результат заключается в снижении токсичности выхлопных газов, уменьшении расхода топлива и расширении функциональных возможностей топливной системы при работе ее в широком диапазоне режимов и с возможностью применения низкооктановых бензинов за счет улучшения гомогенизации ТВС и повышения степени ее дисперсности, а также в повышении технологичности изготовления устройства. 14 з.п.ф-лы, 23 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для образования гомогенных топливовоздушных смесей (ТВС) в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и в других тепловых установках.

Высокая токсичность выхлопных газов, особенно на отечественных двигателях внутреннего сгорания, применяемых на автомобилях, превращается в крупную экологическую проблему в больших городах. Это отчасти объясняется тем, что получить полноценную гомогенную топливовоздушную смесь в ограниченных объемах смесительных камер и топливных коллекторов карбюраторных и инжекторных двигателей представляется сложной технической проблемой. В результате неполного сгорания ТВС выхлопные газы содержат токсичные примеси в количествах, опасных для здоровья людей.

Известно техническое решение, содержащее впускную систему двигателя внутреннего сгорания, корпус, установленный в проточном канале впускного коллектора, турбулизатор, выполненный в виде кольцевого выступа, расположенного на внутренней поверхности корпуса в плоскости, перекрывающей поток смеси. Кроме того, известная впускная система ДВС содержит размещенный на впускном коллекторе карбюратор, дополнительные турбулизаторы, аналогичные первому и расположенные относительно друга с шагом, равным 0,8-1,0 внутреннего диаметра впускного коллектора, причем турбулизаторы расположены эксцентрично внутреннему диаметру впускного коллектора, а их геометрические параметры выполнены в соответствии с соотношениями В = (0,02-0,04)D_вн; С = (0,05-0,06)D_вн, где В - высота выступов турбулизаторов, расположенных выше продольной оси впускного коллектора; С - высота выступов турбулизаторов, расположенных ниже продольной оси впускного коллектора; D_вн - внутренний диаметр впускного коллектора [1].

Недостатком известного устройства является низкая эффективность гомогенизации ТВС, что обуславливает также невысокую степень понижения токсичности выхлопных газов и небольшое повышение экономичности ДВС. Эти недостатки связаны с выполнением выступов турбулизаторов в известном устройстве со скругленной вершиной в сечении и с плавным сопряжением их со стенками корпуса. Особенно значимо эти недостатки проявляются на малом газу работы двигателя, когда скорости потока ТВС минимальны, турбулизация потока смеси протекает вяло и в нем много каплевидного топлива, что приводит к неполному сгоранию с выделением максимального количества токсичных веществ в выхлопных газах.

Наличие множества турбулизаторов в топливном коллекторе с плавными границами в сечении приводит к увеличению динамического сопротивления, а следовательно, к снижению скорости потока перед попаданием в цилиндр двигателя, что, в свою очередь, снижает уровень гомогенизации ТВС и делает указанное устройство малоэффективным. Таким образом, большое количество турбулизаторов не приводит даже к простому линейному суммированию положительных эффектов.

Известно устройство, наиболее близкое к заявленному, для гомогенизации топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержащее корпус, установленный в проточном канале впускного коллектора, турбулизатор, выполненный в виде остроугольного кольцевого выступа, расположенного на внутренней поверхности корпуса в плоскости, перекрывающей поток смеси. Кроме того, принимающая поток смеси поверхность выступа турбулизатора образует с плоскостью, проходящей через вершину его выступа, угол в пределах 135÷180^o [2]. Известное устройство обладает достаточно стабильным эффектом некоторого снижения токсичности выхлопных газов и уменьшения расхода топлива, однако, недостатком его является низкий уровень гомогенизации ТВС одним кольцевым турбулизатором, в особенности по периферической части объема зоны турбулизации. В известном устройстве не используются нелинейные эффекты газодинамического взаимодействия между несколькими турбулизаторами, способные значительно повысить эффективность перемешивания. Кроме того, по причине использования лишь одной зоны турбулизации ТВС для перемешивания, известное устройство обладает довольно низким диапазоном его эффективной работы в различных режимах функционирования ДВС, особенно на малом газу, когда энергетические параметры потока смеси - скорость, динамический напор - весьма малы. В указанном устройстве не используется также такой важный фактор возмущения среды, как противовихри, эффект которых незаменим при работе двигателя на малых оборотах, когда гомогенизация ТВС весьма затруднена.

Целью изобретения является снижение токсичности выхлопных газов, уменьшение расхода топлива и расширение функциональных возможностей топливной системы при работе ее в широком диапазоне режимов и с возможностью применения низкооктановых бензинов за счет улучшения гомогенизации ТВС и повышения степени ее дисперсности, а также повышения технологичности изготовления устройства.

Улучшение гомогенизации ТВС осуществляется за счет использования обратных вихрей турбулизации с принимающих поверхностей выступов, направленных навстречу и перпендикулярно потоку смеси, а также за счет особым образом организованного взаимодействия их с прямыми вихрями от острых кромок, направленных в сторону движения потока смеси.

Кроме того, улучшение гомогенизации ТВС осуществляется за счет более полного использования турбулизационного эффекта за счет возмущения среды возникающими скачками уплотнений потока смеси от принимающих поверхностей выступов турбулизаторов, имеющих различные углы наклона, срыва струи последовательно с нескольких острых кромок и организации процесса многоступенчатого интенсивного турбулентного взаимного диффундирования топлива и воздуха в нескольких зонах турбулизации, а также за счет нелинейного взаимоусиления разнородных вихрей турбулизации от нескольких определенным образом подобранных турбулизаторов при их взаимодействии между собой через поток смеси.

Изобретение основано на организации особым образом турбулентного течения газожидкостной ТВС так, чтобы усилить нелинейные эффекты вихреобразования, возникающие на острых кромках турбулизаторов. Это достигается применением многоступенчатой турбулизации ТВС с взаимозависимым подбором параметров каждого турбулизатора, что обеспечивает оптимальное взаимодействие вихрей возмущенного потока с их взаимоусилением, а также создания в определенных зонах турбулизации противовихрей, что позволяет значительно повысить эффективность перемешивания. Кроме того, предложенная схема организации турбулизационного процесса позволяет учитывать характер турбулизации на предыдущей ступени при подборе параметров турбулизации на последующей ступени, что позволяет оптимизировать перемешивание ТВС, максимально снизить проходное сопротивление в канале устройства и значительно расширить зону устойчивой турбулизации, практически, по всей длине корпуса устройства.

Предлагаемое изобретение позволяет также в большей мере использовать эффекты согласования размеров и положения разделителей потока смеси, расположенных внутри корпуса, и действия турбулизаторов, находящихся на них, с общим процессом турбулизации внутри корпуса. Это также позволяет повысить эффективность перемешивания и снизить проходное сопротивление устройства.

Для реализации поставленной цели в известное устройство для гомогенизации топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержащее корпус, установленный в проточном канале впускного коллектора, турбулизатор, выполненный в виде остроугольного кольцевого выступа, расположенного на внутренней поверхности корпуса в плоскости, перекрывающей поток смеси, введен по меньшей мере еще один турбулизатор в виде кольцевого выступа, расположенный внутри корпуса в плоскости, перекрывающей поток смеси, при этом внутренний диаметр турбулизаторов уменьшается, остается равным или увеличивается по ходу потока топливовоздушной смеси, а углы наклона принимающих поверхностей выступов турбулизаторов с их плоскостями, проходящими через вершины выступов, находятся в пределах 95÷265^o, при этом углы наклона могут быть одинаковыми или разными у различных турбулизаторов в любых комбинациях. Кроме того, по меньшей мере два кольцевых остроугольных турбулизатора, расположенные непосредственно один за другим без промежутков и имеющие различные углы наклона принимающих поверхностей и внутренние диаметры, создают один групповой турбулизатор. Кроме того, принимающие поверхности турбулизаторов плавно сопряжены с внутренней поверхностью корпуса криволинейными поверхностями и/или принимающие поверхности выполнены плавно-криволинейными. Кроме того, минимальный внутренний диаметр турбулизаторов равен или больше внутреннего диаметра диффузора карбюратора для карбюраторных двигателей. Кроме того, каждый из турбулизаторов выполнен заодно с разделительной посадочной цилиндрической втулкой с одинаковым внешним диаметром, являющимся посадочным для внутреннего диаметра корпуса устройства, с отбортованной внутрь одной торцевой кромкой, образующей собой турбулизатор, и установленные последовательно друг за другом на внутренней поверхности корпуса и закрепленные неподвижно. Кроме того, каждый турбулизатор выполнен отдельно от разделительной цилиндрической втулки, высота которой равна расстоянию между турбулизаторами; турбулизаторы и втулки расположены внутри корпуса последовательно друг за другом и закреплены неподвижно. Кроме того, по меньшей мере один турбулизатор выполнен в виде пакета, состоящего по меньшей мере из двух тонкостенных колец в виде усеченных конусов идентичной геометрической формы с одинаковыми или различными внутренними диаметрами. Кроме того, внутренняя кромка каждого кольца, входящего в пакет, имеет заточку. Кроме того, соединенные в пакет тонкостенные кольца, выполненные в виде усеченных конусов, отделены или не отделены друг от друга тонкостенными кольцами идентичной геометрической формы с внутренним диаметром большим внутреннего диаметра любого из колец, образующего пакетный турбулизатор. Кроме того, группы турбулизаторов отделены друг от друга разделительными втулками. Кроме того, турбулизатор выполнен в виде остроугольного кольца, принимающая поверхность которого отполирована и одновременно является заточкой острой кромки. Кроме того, турбулизатор состоит из двух частей, установленных в корпусе последовательно друг за другом, при этом нижняя по потоку смеси часть представляет собой тонкую пластину, имеющую заточку в виде отполированной наклонной кромки, поверхность которой имеет одинаковый угол наклона с поверхностью верхней части и образует с ней принимающую поверхность турбулизатора. Кроме того, во внутреннее пространство корпуса введен и закреплен там разделитель потока смеси, выполненный в виде полой тонкостенной трубы постоянного или увеличивающегося по ходу потока смеси проходного сечения круглой, квадратной, треугольной или прямоугольной формы; разделитель расположен во внутреннем пространстве корпуса или частично выступает по ходу потока смеси за выходную кромку корпуса. Кроме того, во внутреннее пространство корпуса введен и закреплен там разделитель потока смеси, выполненный в виде двух соединенных в пакет пластин, нижние по потоку смеси части которых трапецеидально расширяются и отогнуты в разные стороны. Кроме того, в него введены дополнительные турбулизаторы, расположенные на внутренней и/или внешней поверхности разделителя потока смеси, причем углы наклона принимающих поверхностей турбулизаторов с их плоскостями находятся в пределах 95-265^o, при этом углы наклона всех турбулизаторов одинаковы или различны в различных комбинациях.

На фиг. 1, 2, 3 изображены схемы выполнения вариантов устройства для гомогенизации ТВС в ДВС, содержащие турбулизаторы в виде кольцевых выступов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.

На фиг. 4 изображена схема выполнения варианта устройства с двумя групповыми турбулизаторами, состоящими соответственно из трех и двух турбулизаторов.

На фиг.5, 6 изображена схема выполнения варианта устройства с групповым турбулизатором, состоящим из двух отдельных турбулизаторов и разделителем потока смеси, выполненным, например, в виде тонкостенного цилиндра с собственными турбулизаторами.

На фиг.7 изображена схема выполнения варианта устройства с двумя турбулизаторами и разделителем потока смеси, выполненным в виде цилиндрической части и сопряженным с ней расширяющимся по ходу потока смеси усеченным конусом. Разделитель потока смеси имеет собственные турбулизаторы.

На фиг. 8, 9 изображен вариант схемы устройства с разделителем потока смеси, выполненным в виде соединенных в пакет двух пластин, расширяющихся трапецеидально в нижней части по потоку смеси и отогнутых в разные стороны. Разделитель снабжен собственным турбулизатором.

На фиг.10 изображена схема установки устройства в проточном канале впускного коллектора, например, для карбюраторного двигателя внутреннего сгорания.

На фиг.11-15 изображена схема сборки устройства и варианты изготовления турбулизаторов как одного целого с посадочными втулками.

На фиг.16-19 изображены варианты изготовления турбулизаторов с отдельными разделительными втулками.

На фиг.20 изображен вариант составного турбулизатора.

На фиг.21 изображен вариант схемы сборки устройства из составных турбулизаторов.

На фиг.22 изображен вариант турбулизатора, образованного тремя тонкостенными кольцами, выполненными в виде усеченных конусов с одинаковыми внутренними диаметрами, соединенными в пакет (пакетный турбулизатор).

На фиг.23 изображен пример варианта устройства с двумя пакетными турбулизаторами.

Устройство для гомогенизации ТВС в ДВС по фиг.1 состоит из корпуса 1, например, цилиндрической формы, турбулизаторов 2, выполненных в виде кольцевых выступов, закрепленных непосредственно внутри корпуса, например, точечной сваркой, остороугольные углы сечения турбулиэаторов образуют острые кромки 3. Сторона треугольного выступа, обращенная навстречу потоку смеси, образует принимающую поверхность 4 турбулизатора, угол α между принимающей поверхностью турбулизатора 4 и плоскостью его сечения, проходящей через острые кромки 3, имеет пределы 95÷265^o. Внутренние диаметры турбулизаторов ⊘_т одинаковы.

Вариант выполнения устройства по фиг.2 содержит, например, верхний по потоку смеси турбулизатор 2 с углом α больше 180^o, образующим между внутренней поверхностью корпуса и принимающей поверхностью турбулизатора 4 кольцевой остроугольный желоб, раскрытый навстречу потоку смеси. Углы α остальных турбулизаторов 2 меньше 180^o.

Вариант устройства по фиг.3 содержит, например, верхний по потоку смеси турбулизатор 2 в виде криволинейной поверхности, плавно сопряженной с внутренней поверхностью корпуса 1 и представляющей собой желоб, внутренней поверхностью направленный навстречу потоку смеси. Угол α в этом случае образуется касательной к принимающей поверхности 4, непосредственно расположенной около острой кромки выступа турбулизатора 2 и его плоскостью ⊘_т, второй турбулизатор 2 имеет угол α меньше 180^o.

Вариант устройства по фиг.4 содержит, например, два групповых турбулизатора, состоящих соответственно из трех и двух по потоку смеси турбулизаторов 2 с различными углами и α и внутренними диаметрами турбулизаторов ⊘_т. Турбулизаторы закреплены в корпусе неподвижно, например, точечной сваркой.

Вариант устройства по фиг.5, 6 содержит, например, один групповой турбулизатор 5, состоящий из двух турбулизаторов 2 и один отдельный турбулизатор 2 на внутренней выходной кромке корпуса 1. Во внутреннем пространстве корпуса 1 закреплен разделитель потока смеси, выполненный, например, в виде полого тонкостенного цилиндра, снабженного двумя собственными турбулизаторами 7 и 8, расположенными соответственно на внутренней поверхности входной и внешней поверхности выходной кромок разделителя потока смеси 6 и имеющих угол α в пределах 95÷265^o. Разделитель 6 закреплен в корпусе 1, например, двумя взаимно перпендикулярными штифтами 9. Нижняя часть разделителя выступает за нижнюю кромку корпуса 1 по потоку смеси.

Вариант устройства по фиг.7 содержит, например, два турбулизатора 2 и разделитель потока смеси 6, выполненный в виде цилиндрической части, закрепленной в корпусе, например, двумя взаимно перпендикулярными штифтами 9 и сопряженным с ней расширяющимся усеченным конусом 10. Разделитель снабжен собственными турбулизаторами 7 и 8.

Вариант устройства по фиг.8, 9 содержит, например, два турбулизатора 2, при этом нижний по потоку смеси выполнен за одно целое с корпусом 1 и разделитель потока смеси 11, выполненный, например, в виде соединенных в пакет двух пластин, расширяющихся трапецеидально в нижней по потоку смеси части и отогнутых в разные стороны на угол β в пределах 0÷90^o. Верхняя прямоугольная часть распределителя потока смеси 11 расположена во внутреннем пространстве корпуса и закреплена штифтом 9, проходящим между пластинами разделителя потока в их верхней части и стенкой корпуса 1 и двумя диаметрально расположенными прорезями 12 в нижнем по потоку смеси турбулизаторе 2. Разделитель снабжен собственным турбулизатором 8.

На фиг.10 изображена схема установки устройства в проточном канале впускного коллектора, например, для карбюраторного двигателя внутреннего сгорания, где ⊘_дк- диаметр диффузора карбюратора, ДЗК - дроссельная заслонка карбюратора, СК - смесительная камера, ВТК - впускной топливный коллектор. Устройство выполнено по варианту фиг.7.

На фиг.11-15 изображена схема сборки устройства и варианты изготовления турбулизаторов за одно целое с посадочными втулками. Наружный диаметр ⊘_н выполняется равным внутреннему диаметру корпуса (по допускам, например, плотной посадки. Все детали, включая корпус 1, могут изготавливаться методом вытяжки и штамповки из тонкой листовой стали глубокой вытяжки на высокопроизводительном оборудовании, например роторных автоматах. Варианты деталей 13, 15 и 16 универсальны и могут устанавливаться в устройство перевернутыми на 180^o.

На фиг. 16-20 изображены варианты изготовления составных турбулизаторов из двух деталей: разделительной втулки 18 и собственно турбулизаторов в виде колец 19-24. Эти простые детали позволяют существенно снизить трудоемкость изготовления и использовать самое высокопроизводительное оборудование, например роторные автоматы с непрерывным циклом. Детали 19-21 и 23, 24 могут изготавливаться из тонколистовых высокоуглеродистых сталей по технологиям изготовления лезвий безопасных бритв. Принимающая поверхность 4 турбулизатора 19 полируется. Турбулизаторы 19-22 унифицированы и могут устанавливаться в устройство перевернутыми на 180^o. Наружные диаметры ⊘_н изготавливаются аналогично деталям 13-16 из фиг.12-15. Внутренние поверхности турбулизаторов 17 после заточки полируются, что предотвратит нагарообразование на острой кромке 3 при установке устройств в топливных каналах непосредственно перед цилиндрами, например, инжекторных двигателей.

На фиг.21 изображен пример схемы сборки устройства из различных составных турбулизаторов, закрепленных в корпусе неподвижно с помощью выдавок 25, расположенных по окружности корпуса 1.

На фиг. 22 изображен вариант изготовления пакетного турбулизатора 26 в виде соединенных тонкостенных пластин 27, выполненных в виде усеченных конусов. Толщина пластин выбирается, например, в пределах 0,1-0,3 мм. Острые кромки 3 внутренних диаметров ⊘_т пластин образуют локальное пространство, ограниченное высотой Н и диаметром ⊘_т. На фиг.23 изображена схема варианта сборки устройства с двумя пакетными турбулизаторами, образованными собственно тремя тонкостенными кольцами 27 в виде усеченных конусов с углом α>180^o и двумя - с углом α<180 по ходу потока смеси, при этом второй турбулизатор выполнен с различными внутренними диаметрами ⊘_т<⊘_т1. Кольца 27 отделены друг от друга разделительными кольцами 28, внутренний диаметр которых больше внутреннего диаметра ⊘_т любого кольца 27. Детали 27 и 28 могут изготавливаться по технологии деталей 20, 21, 24 фиг.17, 19, 20.

Сборка устройства осуществляется аналогично сборке устройства по фиг.21.

Устройство для гомогенизации ТВС (фиг.1) работает следующим образом.

ТВС, приготовленная, например, в карбюраторе, попадая в корпус 1 устройства, имеет ламинарное или близкое к ламинарному течение. При попадании смеси на принимающую поверхность 4 выступа первого турбулизатора 2 происходит срыв потока ТВС с образованием скачков уплотнений, разрывов плотности газовоздушной смеси и других неустойчивостей, которые в совокупности образуют зону турбулизации ЗТ, переходящую в зону самоперемешивания ЗП, располагающуюся непосредственно за острой кромкой 3 турбулизатора 2 по ходу течения потока ТВС. При этом в указанных зонах происходят интенсивные процессы образования тонкодисперсной ТВС. Кроме того, острая кромка 3 осуществляет разрыв жидкой топливной пленки, смачивающей внутреннюю поверхность корпуса 2 устройства и движущейся по ней в направлении потока ТВС, что является важнейшей функцией острой кромки.

Угол конуса раскрытия потока ТВС Θ находится в диапазоне от Θ₁ до Θ₂ при изменении скорости течения ТВС в рабочем диапазоне. При этом по образующей конуса движутся наиболее крупные частицы топлива и, кроме того, процессы самоперемешивания ослабевают по мере удаления от первого турбулизатора 2. Попадая на стенки корпуса 1, эти крупные частицы вновь образуют движущуюся по корпусу жидкую пленку топлива. Далее, попадая на выступ второго турбулизатора, эта уже предварительно подготовленная смесь также подвержена срыву с его острой кромки 3 с образованием неустойчивого течения в виде скачков уплотнений, вихрей и т.д. При этом также образуются зоны турбулизации и самоперемешивания с образованием гомогенной ТВС. Поскольку на последующий турбулизатор попадает уже предварительно подготовленная ТВС и в отличие от первого турбулизатора 2 не ламинарного, а турбулентного характера течения существенно нелинейных режимов (скачки уплотнения), то возникающий при этом эффект самоперемешивания смеси увеличивается также нелинейно и значительно превышает простую сумму эффектов от соответствующего числа турбулизаторов, взятых по отдельности. Такой многоступенчатый процесс турбулизации также значительно расширяет эффект самоперемешивания и осуществляет его во всем пространстве корпуса 1 устройства. Последнее способствует значительному повышению устойчивости работы устройства во всем диапазоне режимов работы ДВС, что, в свою очередь, расширяет функциональные возможности топливной системы при изменении режимов двигателя в широком диапазоне и изменении октанового числа применяемых бензинов. Кроме того, многоступенчатая схема турбулизации, как видно на фиг. 1-3, позволяет существенно уменьшить образование жидкой пленки топлива, ухудшающей гомогенизацию ТВС на выходе устройства и на большей части внутренней поверхности корпуса 1.

Изменение размеров турбулизаторов и углов их принимающих поверхностей 4 (фиг. 2) позволяет подбирать наиболее оптимальные параметры турбулизации потока ТВС на каждой ступени с учетом взаимосогласования их работы, а также регулировать динамическое сопротивление устройства потоку ТВС и регулировать степень заполнения зонами турбулизации и самоперемешивания внутреннего объема устройства.

В устройстве на фиг.2 при попадании потока ТВС на принимающую поверхность 4 первого встречного турбулизатора 2 с углом α>180^o между принимающей поверхностью 4 турбулизатора 2 и его плоскостью ⊘_т, происходит образование нелинейной части потока в виде кольцевого противовихря, обладающего резко выраженным эффектом воздействия его на поток ТВС, переводя процессы интенсивной турбулизации на качественно более высокий уровень по всему проходному сечению корпуса. Это значительно повышает эффективность гомогенизации ТВС и также увеличивает интенсивность перемешивания в зоне ЗП, находящейся за первым по потоку смеси турбулизатором 2, что положительно сказывается, в свою очередь, на работе последующего турбулизатора (одного или нескольких), также повышая их эффективность. Эффективность встречного турбулизатора с углом α>180^o может быть еще более повышена при расположении перед ним обычного турбулизатора с углом α<180 либо при осуществлении многоступенчатой встречной турбулизации на дополнительных встречных турбулизаторах с углом α>180^o. В этом случае сила возмущения среды даже при сравнительно небольшой энергии потока ТВС при работе двигателя на малом газу будет достаточной для создания условий образования тонкодисперсной ТВС.

В устройстве на фиг.3 за счет плавного обтекания зоны сопряжения встречного турбулизатора 2 с корпусом 1 снижается динамическое сопротивление потоку смеси. В продольном сечении по ходу потока ТВС вихрь больше приближается по форме к тороиду, увеличивая таким образом силу воздействия на поток ТВС, что способствует лучшему перемешиванию ТВС и более эффективной работе последующих ступеней турбулизации.

В устройстве на фиг.4 при попадании потока ТВС на групповой турбулизатор 5, состоящий из трех турбулизаторов 2, происходит формирование трех зон турбулизации, в каждой из которых образуется свой противовихрь, отличающийся от других интенсивностью, размерами и структурой, которые взамодействуют друг с другом нелинейным образом и создают тем самым дополнительные условия для самотурбулизации и турбулизации вновь поступающего потока ТВС. Процессы, происходящие на групповом турбулизаторе 5, интенсифицируют гомогенизацию ТВС, превращая практически весь внутренний объем устройства в сплошную зону турбулизации, улучшая тем самым полноту и однородность смесеобразования топлива с воздухом. Такая схема турбулизации также в значительной степени предотвращает обратные процессы слипания мелких частиц топлива в более крупные ввиду небольших расстояний между отдельными выступами группового турбулизатора 5.

В устройстве на фиг.5, 6 цилиндрический разделитель потока ТВС 6 позволяет осуществить перераспределение зоны турбулизации ЗТ и самоперемешивания ЗП по объему корпуса 1 устройства. Учитывая, что значительное время работы устройства проходит при частичном перекрытии дроссельной заслонкой входа в канал топливного коллектора и центральная аксиальная область его остается, таким образом, пассивной, разделитель 6 производит интенсификацию процессов турбулизации, не нарушая их структуры в кольцевом объеме между внутренней поверхностью корпуса 1 и внешней поверхность разделителя за счет сжатия активной зоны до кольцевой на протяжении всей длины части разделителя 6, расположенной внутри корпуса 1 устройства. Турбулизатор 7 на входе во внутреннюю полость разделителя потока 6, дополнительно турбулизирует центральную часть потока смеси.

В устройстве фиг. 7 выполнение разделителя 6 с расширяющейся частью в виде усеченного конуса 10 с внешним турбулизатором 8 позволяет практически исключить негативное действие жидкой пленки топлива на его наружной поверхности на процесс дисперизации топлива, а внутренний турбулизатор 7 на входе в цилиндрическую часть разделителя 6 существенно улучшает перемешивание топлива с воздухом в центральной части потока ТВС. Такой вариант устройства позволяет повысить интенсивность процессов турбулизации как на основных режимах работы двигателя при не полностью открытой дроссельной заслонке за счет сжатия пространства зоны основной турбулизации, так и на максимальных режимах, при полностью открытой дроссельной заслонке за счет создания зон турбулизации внутри разделителя 6. Кроме того, такой вариант позволяет регулировать структуру истечения потока ТВС на выходе корпуса 1 устройства и осуществлять оптимизацию согласования работы турбулизаторов корпуса 1 и разделителя 6 за счет перемещения разделителя 6 вдоль оси корпуса устройства. Выполнение разделителя 6 с расширяющейся нижней по ходу потока смеси частью и с дополнительным турбулизатором 8 на нижней кромке его внешней по потоку смеси поверхности позволяет оптимальным образом направить выходящий поток ТВС из корпуса 1 и обеспечить наилучшее согласование его поля скоростей с геометрией канала топливного коллектора. Варьируя угол раскрытия усеченного конуса разделителя 6, легко осуществить подбор указанных параметров под конкретную геометрию топливных коллекторов двигателей различных типов.

В устройстве на фиг.8, 9 осуществляется дополнительная турбулизация основного потока ТВС изнутри со стороны его центральной части по продольному сечению, проходящему через корпус 1. Это достигается в основном объеме зоны турбулизации без его разделения на периферическую и центральную часть за счет выполнения разделителя потока ТВС в виде пакета из двух пластин, осуществляющего разделение потока на две равноценные половины. Каждая половина потока попадает на внешнюю сторону отогнутой части пластины разделителя 11, имеющей форму трапеции для охвата большего объема потока и улучшения тем самым условий гомогенизации смеси. Нижняя по потоку смеси кромка каждой пластины снабжена собственным внешним турбулизатором 8. Угол β, на который разводятся нижние части пластин, выбирается из условий оптимального соотношения между эффектом, получаемым от качества гомогенизированной смеси, и динамическим сопротивлением устройства, влияющим на коэффициент заполнения топливовоздушной смесью цилиндров ДВС. Это позволяет получить стабильное качество гомогенизации ТВС во всем диапазоне работы двигателя от режима малого газа при почти закрытой заслонке в канале топливного коллектора до режимов максимального газа с полностью открытой дроссельной заслонкой.

Устройства на фиг.11, 21 работают аналогично вариантам, описанным выше, однако выполнение их в виде наборов из унифицированных элементов - втулок с выступами турбулизаторов 13-16, выполненных с ними как одно целое (фиг.12 и 13), или же с отдельными турбулизаторами 19-22 (фиг.16-19) и разделительными втулками 18, или с отдельными наборными турбулизаторами, состоящими из двух элементов 23 и 24 (фиг.20), позволяет значительно повысить технологичность устройства, снизить затраты на изготовление и упростить сам технологический процесс. Выполнение турбулизаторов наборными из двух элементов 23 и 24 позволяет применить для выполнения острых кромок 3 высококачественную легированную сталь в виде пластинчатых деталей 20, 21, 24 с молекулярной заточкой на кромках 4. Такое выполнение турбулизаторов позволяет достичь максимального уровня использования эффекта турбулизации путем срыва струи с острой кромки и возможно большего контрастирования возмущенной зоны относительно ламинарного течения.

Устройство по фиг.23 работает аналогично вариантам, описанным выше, однако наличие в зонах турбулизации ЗТ ряда дополнительных острых кромок 3 в виде кольцевых остроугольных выступов, отдаленных друг от друга на оптимальное расстояние, приводит к существенной активизации процессов дисперизации топливовоздушной смеси за счет практически полного разрушения топливной пленки и интенсивного измельчения оставшихся капель топлива, что обеспечивает получение высококачественной гомогенной ТВС.

Преимущества предлагаемого устройства в сравнении с аналогом и прототипом состоят в следующем: - многоступенчатая турбулизация путем введения нескольких турбулизаторов в виде остроугольных кольцевых выступов, перекрывающих полностью поток смеси своими плоскостями, при этом внутренние диаметры турбулизаторов выбираются с учетом оптимального согласования динамических характеристик потока ТВС с процессом его турбулизации; - углы наклона принимающих поверхностей турбулизаторов относительно их плоскостей находятся в пределах 95-265^o, что позволяет выбрать оптимальное сочетание для достижения максимального эффекта дисперизации топлива в потоке; - использование противовихрей как весьма эффективного средства возмущения среды, которые образуются при углах наклона принимающих поверхностей более 180^o; - применение групповых турбулизаторов, состоящих из минимум двух кольцевых выступов, расположенных непосредственно один за другим без промежутков, создает локальные кольцевые зоны интенсивной гомогенизации, обеспечивая стабилизацию процесса перемешивания смеси;
- эффективное использование острых кромок, в том числе с помощью пакетных турбулизаторов, для разрыва топливной пленки, смачивающей внутренние поверхности устройства с последующим срывом ее струей потока и возникновением, таким образом, процесса дисперизации ТВС, что устойчиво снижает токсичность выхлопных газов;
- применение различных разделителей потока смеси, имеющих собственные турбулизаторы, обеспечивающие глубокую гомогенизацию всего объема потока смеси.

Набор указанных отличительных признаков в предлагаемом устройстве позволяет успешно реализовать поставленную цель.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1753003, МПК⁷ F 02 M 29/14, 1992.

2. Патент РФ 2166116, МПК⁷ F 02 M 29/14, 27.04.2001.

Формула изобретения

1. Устройство для гомогенизации топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания, содержащее корпус, установленный в проточном канале впускного коллектора, турбулизатор, выполненный в виде остроугольного кольцевого выступа, расположенного на внутренней поверхности корпуса в плоскости, перекрывающей поток смеси, отличающееся тем, что в него введен по меньшей мере еще один турбулизатор в виде остроугольного кольцевого выступа, расположенный внутри корпуса в плоскости, перекрывающей поток смеси, при этом внутренний диаметр турбулизаторов уменьшается, остается равным или увеличивается по ходу потока топливовоздушной смеси, а углы наклона принимающих поверхностей выступов турбулизаторов с их плоскостями, проходящими через вершины выступов, находятся в пределах 95-265^o, при этом углы наклона могут быть одинаковыми или разными у различных турбулизаторов в любых комбинациях.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере два кольцевых остроугольных турбулизатора, расположенных непосредственно один за другим без промежутков и имеющих различные углы наклона принимающих поверхностей и внутренние диаметры, создают один групповой турбулизатор.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что принимающие поверхности турбулизаторов плавно сопряжены с внутренней поверхностью корпуса криволинейными поверхностями и/или принимающие поверхности выполнены плавно-криволинейными.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что минимальный внутренний диаметр турбулизаторов равен или больше внутреннего диаметра диффузора карбюратора для карбюраторных двигателей.

5. Устройство по любому из пп.1, 3 и 4, отличающееся тем, что каждый из турбулизаторов выполнен заодно с разделительной посадочной цилиндрической втулкой с одинаковым внешним диаметром, являющимся посадочным для внутреннего диаметра корпуса устройства, с отбортованной внутрь одной торцевой кромкой, образующей собой турбулизатор, и установлен последовательно друг за другом на внутренней поверхности корпуса и закреплен неподвижно.

6. Устройство по любому из пп.1, 3 и 4, отличающееся тем, что каждый турбулизатор выполнен отдельно от разделительной цилиндрической втулки, высота которой равна расстоянию между турбулизаторами; турбулизаторы и втулки расположены внутри корпуса последовательно друг за другом и закреплены неподвижно.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что по меньшей мере один турбулизатор выполнен в виде пакета, состоящего по меньшей мере из двух тонкостенных колец в виде усеченных конусов идентичной геометрической формы с одинаковыми или различными внутренними диаметрами.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что внутренняя кромка каждого кольца, входящего в пакет, имеет заточку.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что соединенные в пакет тонкостенные кольца, выполненные в виде усеченных конусов, отделены или не отделены друг от друга тонкостенными кольцами идентичной геометрической формы с внутренним диаметром, большим внутреннего диаметра любого из колец, образующего пакетный турбулизатор.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что группы турбулизаторов отделены друг от друга разделительными втулками.

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что турбулизатор выполнен в виде остроугольного кольца, принимающая поверхность которого отполирована и одновременно является заточкой острой кромки.

12. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что турбулизатор состоит из двух частей, установленных в корпусе последовательно друг за другом, при этом нижняя по потоку смеси часть представляет собой тонкую пластину, имеющую заточку в виде отполированной наклонной кромки, поверхность которой имеет одинаковый угол наклона с поверхностью верхней части и образует с ней принимающую поверхность турбулизатора.

13. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что во внутреннее пространство корпуса введен и закреплен там разделитель потока смеси, выполненный в виде полой тонкостенной трубы постоянного или увеличивающегося по ходу потока смеси проходного сечения круглой, квадратной, треугольной или прямоугольной формы; разделитель расположен во внутреннем пространстве корпуса или частично выступает по ходу потока смеси за выходную кромку корпуса.

14. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что во внутреннее пространство корпуса введен и закреплен там разделитель потока смеси, выполненный в виде двух соединенных в пакет пластин, нижние по потоку смеси части которых трапецеидально расширяются и отогнуты в разные стороны.

15. Устройство по п.13 или 14, отличающееся тем, что в него введены дополнительные турбулизаторы, расположенные на внутренней и/или внешней поверхности разделителя потока смеси, причем углы наклона принимающих поверхностей турбулизаторов с их плоскостями находятся в пределах 95-265^o, при этом углы наклона всех турбулизаторов одинаковы или различны в различных комбинациях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23