Способ формирования топливовоздушной смеси

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способу формирования топливовоздушной смеси. Изобретение позволяет повысить эффективность работы ДВС. Способ формирования топливовоздушной смеси включает поток воздуха, предназначенный для смешения с топливом, вибратор, в котором с помощью ультразвукового преобразователя возбуждают колебания, и подачу топлива на поверхность вибратора. В вибраторе возбуждают продольные колебания на частоте, соответствующей частоте одной из его гармоник. Размещают в потоке воздуха концевой участок вибратора, площадь поперечного сечения которого монотонно убывает в направлении распространения колебаний. Подачу топлива осуществляют путем контакта не обтекаемого потоком воздуха участка вибратора с топливом, вытекающим из средств, содержащих топливо, с обеспечением самотека пленки топлива по обтекаемому потоком воздуха участку вибратора в направлении распространения колебаний от ультразвукового преобразователя. 3 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а более конкретно к системам питания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением.

Из уровня техники известны два основных подхода к решению задачи по формированию топливовоздушной смеси для ДВС, а именно путем подачи во всасываемый воздух паров топлива и путем распыления топлива во всасываемый воздух.

Так способ формирования топливовоздушной смеси в ДВС путем подачи во всасываемый воздух паров топлива реализован в испарительных или барботажных карбюраторах (см. , например, Р. Твег. Системы впрыска бензина. Устройство, обслуживание, ремонт. М.: За рулем, 1996, с.6, рис. 1 [1]), а также в устройствах, описанных в патентах DЕ-С3 2057972, 1975 [2], SU 462351, 1976 [3]. Способ формирования топливовоздушной смеси в ДВС путем распыления топлива во всасываемый воздух реализован в впрыскивающих карбюраторах, а также в поплавковых всасывающих карбюраторах (см. [1, с.7]).

Основное преимущество способа формирования топливовоздушной смеси в ДВС путем подачи во всасываемый воздух именно паров топлива заключается в возможности получения однородной топливовоздушной смеси. С другой стороны, известные устройства, реализующие этот способ, не обеспечивают необходимой пожаробезопасности. Так в устройстве, описанном в патентах [2] и [3], нагреватель, установленный в каждой форсунке (распределенная подача топлива), обеспечивает нагрев топлива, поступающего из дозатора, до температуры, обеспечивающей ее испарение при впрыске в соответствующий патрубок. Но для обеспечения этого условия скорость топлива в самом узком сечении сопла форсунки должна достигать скорости звука. Это возможно при перепаде давления выше критического. С другой стороны, максимальная температура нагрева топлива в каждой форсунке не должна вызывать самовоспламенения паров в воздухоподающем патрубке. Реализация указанного выше способа формирования топливовоздушной смеси в ДВС затруднена также тем, что нагрев топлива в каждой форсунке не должен сопровождаться образованием паровых пузырьков на поверхности нагревательного элемента, приводящим к снижению теплопроизводительности нагревательного элемента.

Известен также способ формирования топливовоздушной смеси, взятый в качестве прототипа и включающий размещение в потоке воздуха, предназначенном для смешения с топливом, вибратора с тарелкой на конце, возбуждение в вибраторе колебаний с частотой, соответствующей ультразвуковому диапазону, и одновременную дозированную подачу топлива через форсунку на тарелку под острым углом к ее поверхности, которая противоположна ее лобовой поверхности относительно воздушного потока (см. патент RU-А3 1389691, 1988 [4]).

Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает ни высокой степени диспергирования всего топлива, ни однородности распределения его по сечению воздуховода, а следовательно, высокой эффективности работы ДВС.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению эффективности работы ДВС путем обеспечения высокой степени дисперсности жидкой фазы в топливовоздушной смеси и одновременно увеличения содержания в ней паров топлива.

Поставленная задача решена тем, что в способе формирования топливовоздушной смеси, включающем размещение в потоке воздуха, предназначенном для смешения с топливом, вибратора, в котором с помощью ультразвукового преобразователя возбуждают колебания, и подачу топлива на поверхность вибратора, согласно изобретению возбуждают в вибраторе продольные колебания на частоте, соответствующей частоте одной из его гармоник, размещают в потоке воздуха концевой участок вибратора, площадь поперечного сечения которого монотонно убывает в направлении распространения колебаний, а подачу топлива осуществляют путем контакта необтекаемого потоком воздуха участка вибратора с топливом, вытекающим из средств, содержащих топливо, с обеспечением самотека пленки топлива по обтекаемому потоком воздуха участку вибратора в направлении распространения колебаний от ультразвукового преобразователя.

Преимущество предложенного способа формирования топливовоздушной смеси перед известным заключается в том, что его использование позволяет обеспечить не только высокую степень диспергирования топлива и достаточно высокую однородность дисперсного состава жидкой фазы в смеси, но и более высокое содержание паров топлива в топливовоздушной смеси за счет увеличения длительности воздействия ультразвуковых волн на топливо.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, поскольку на основе предложенного технического решения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью существенных признаков, могут быть созданы (за счет комбинации иных средств) другие устройства, обеспечивающие достижение ожидаемого технического результата.

На фиг. 1 схематично изображен узел смешения топлива с воздухом, продольный разрез, на фиг.2 - то же, но при другой форме вибратора; на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.2.

На чертежах используются следующие обозначения: 1 - воздухопровод; 2 - ультразвуковой преобразователь (пьезоэлектрический, магнитострикционный, электромагнитный); 3 - вибратор с конусообразным концом 4 и фланцем 5, средняя плоскость которого совпадает с узловой плоскостью колебаний вибратора; 6 - держатель; 7 и 7^, - накопитель для топлива (средства, содержащие топливо); 8 - топливопровод; 9 - конусообразный кольцевой канал; 10 - топливо; 11 - вибратор с клиновидным концом 12 и фланцем 13, средняя плоскость которого совпадает с узловой плоскостью колебаний вибратора; 14 - желоб; 15 - боковые торцевые поверхности конца 12 вибратора 11; 16 - вставка из материала со сквозными порами.

Вибраторы 3 и 11 закреплены на соответствующем ультразвуковом преобразователе 2 с использованием любого известного метода, обеспечивающего хороший акустический контакт между ними. Ультразвуковой преобразователь 2 с соответствующим вибратором 3 или 11 с помощью соответствующего фланца 5 или 13 герметично закреплен на держателе 6 таким образом, чтобы конический конец 4 (или соответственно клиновидный конец 12) вибратора 3 (11) был размещен в полости воздуховода 1. Иными словами, при установке ультразвукового преобразователя 2 с вибратором 3 или 11 на держатель 6 необходимо, чтобы конец вибратора, имеющий площадь поперечного сечения, монотонно убывающую в направлении распространения колебаний от ультразвукового преобразователя 2, был размещен в потоке воздуха (на чертежах показанный стрелками), предназначенного для смешения его с топливом 10. Конец вибратора, размещенный в потоке воздуха (обтекаемый воздухом), предназначенном для смешения с топливом, может быть выполнен в форме, отличной от описанной выше, но обязательно удовлетворяющей условию: площадь поперечного сечения концевого участка вибратора (обтекаемого потоком воздуха) должна монотонно убывать (уменьшаться) в направлении распространения колебаний в вибраторе от ультразвукового преобразователя.

Держатель 6 жестко и герметично соединен с воздуховодом 1, при этом в полости держателя 6 размещен накопитель 7 (7') топлива 10, выполненный, например, в виде кольцевой камеры (фиг.1), имеющей внутреннюю стенку в виде усеченного конуса, соосного с конусообразным концом 4 вибратора 3, а также конусообразный кольцевой канал 9. Накопитель 7 (7') посредством топливоподвода 8 соединен с топливоподающей системой ДВС (не показана), которая обеспечивает дозированную подачу топлива 10. Накопитель 7 (7'), как уже отмечалось выше, размещен в полости держателя 6 и соединен с ним с возможностью съема при профилактическом обслуживании. В другом варианте осуществления предложенного способа (фиг.2) накопитель 7' топлива снабжен вставкой 16 из материала со сквозными порами, обеспечивающими подачу топлива 10 на поверхность конца 12 вибратора 11 контактным методом. Вставка 16 может быть изготовлена методом порошковой металлургии.

Для уменьшения лобового сопротивления конец 12 вибратора 11 может быть выполнен в виде расположенной вдоль воздушного потока клиновидной пластины (фиг. 2) со скругленными боковыми торцевыми поверхностями 15 (фиг.3). Желоб 14 закреплен на нижнем торце 12 вибратора 11 и служит для сбора топлива 10, оставшегося на поверхности вибратора 11 после останова ДВС. Использование фланцев 5 (13) для закрепления ультразвукового преобразователя 2 соответственно с вибратором 3 или 11 является предпочтительным, так как обеспечивает надежную защиту цепи питания ультразвукового преобразователя от взаимодействия с парами топлива. Этим требованиям не удовлетворяют эластичные уплотнительные элементы, срок службы которых при контакте с парами топлива мал.

Способ формирования топливовоздушной смеси осуществляется следующим образом. С помощью ультразвукового преобразователя 2 возбуждают в вибраторе 3 продольные колебания на частоте, соответствующей частоте одной из его гармоник (второй или третьей), при этом средняя продольная плоскость фланца 5 совпадает с узловой плоскостью колебаний вибратора 3. Для получения топливовоздушной смеси с помощью топливоподающей системы ДВС осуществляют дозированную подачу топлива 10 по топливопроводу 8 в накопитель 7 топлива, откуда топливо 10 по конусообразному кольцевому каналу 9 поступает в кольцевой конусообразный зазор между не обтекаемым потоком воздуха участком конца 4 вибратора 3 и внутренней стенкой (имеющей форму усеченного конуса) накопителя 7 топлива. Величину указанного выше зазора выбирают из условия обеспечения сначала контакта топлива 10, вытекающего из конусообразного кольцевого канала 9, с расположенным напротив него участком конца 4 вибратора 3, а затем и полного заполнения им зазора между внешней поверхностью внутренней стенки накопителя 7 топлива и поверхностью конца 4 вибратора 3. Попавшее в указанный выше зазор топливо 10 самотеком в виде пленки перемещается по внешней поверхности вибратора 3 в направлении распространения колебаний от ультразвукового преобразователя 2. В результате колебаний вибратора 3, покрытого пленкой топлива 10, происходит разбрызгивание с высокой степенью дисперсности топлива 10 вокруг вибратора 3, а также частичное его испарение за счет теплового действия ультразвуковых колебаний. При этом обеспечивается более однородный дисперсный состав капельной (жидкой) фазы в получаемой смеси по сравнению со взаимодействием струи топлива с поверхностью вибрирующей тарелки [4]. В результате обтекания потоком воздуха вибратора 3, покрытого пленкой топлива 10, обеспечивается получение топливовоздушной смеси, содержащей капельную фракцию, характеризующуюся высокой дисперсностью и достаточно однородным дисперсным составом, и паровую фазу, которая при взаимодействии с очень холодным воздухом может, в принципе, трансформироваться в легкий туман. Предложенное выполнение средств, обеспечивающих протекание действий способа формирования топливовоздушной смеси, позволяет учесть также и неоднородное распределение скорости воздушного потока по сечению воздуховода 1. Дело в том, что количество разбрызгиваемого топлива в каждом сечении конца 4 вибратора 3 пропорционально, с одной стороны, его диаметру (площади внешней поверхности, с которой идет разбрызгивание), а с другой стороны, амплитуде колебаний, которая обратно пропорциональна указанному выше диаметру. Иными словами, соответствующим выбором формы образующей внешней поверхности вибратора 3 можно обеспечить распределение интенсивности разбрызгивания топлива 10 по длине обтекаемого конца 4 вибратора 3, соответствующее в той или иной степени распределению скорости воздушного потока по сечению воздухопровода 1. Кроме того, предложенный способ позволяет осуществлять разбрызгивание также и дизельного топлива.

Аналогично осуществляется способ формирования топливовоздушной смеси с помощью вибратора 11 (фиг. 2 и 3) и вставки 16 из материала со сквозными порами для подачи топлива 10 в зазор между поверхностью вибратора 11 и внутренней поверхностью вставки 16.

После останова ДВС топливо 10, стекая по поверхности конца 12 вибратора 11, собирается в желобе 14, закрепленном на его нижнем торце. При запуске ДВС топливо 10, находящееся в желобе 14, распыляется и обеспечивает надежный запуск ДВС даже в холодное время года.

Способ формирования топливовоздушной смеси может быть промышленно применим в различных типах ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением, а именно с центральной или распределительной подачей топлива, непрерывной или прерывистой подачей топлива, а также в различных отопителях.

Формула изобретения

Способ формирования топливовоздушной смеси, включающий поток воздуха, предназначенный для смешения с топливом, вибратор, в котором с помощью ультразвукового преобразователя возбуждают колебания, и подачу топлива на поверхность вибратора, отличающийся тем, что возбуждают в вибраторе продольные колебания на частоте, соответствующей частоте одной из его гармоник, причем размещают в потоке воздуха концевой участок вибратора, площадь поперечного сечения которого монотонно убывает в направлении распространения колебаний, а подачу топлива осуществляют путем контакта не обтекаемого потоком воздуха участка вибратора с топливом, вытекающим из средств, содержащих топливо, с обеспечением самотека пленки топлива по обтекаемому потоком воздуха участку вибратора в направлении распространения колебаний от ультразвукового преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3