УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02M23/12 

Изобретение относится к двигателестроению и 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, т.е. однородность смеси в объеме по содержанию воздуха и топливных частиц. От этого зависит полнота сгорания смеси, следовательно, КДП двигателя, содержания СО в выхлопных газах и долговечность деталей системы газораспределения.

Известно устройство для подачи дополнительного воздуха в канал для подачи топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания [1] В этом устройстве канал для подачи топливовоздушной смеси выполнен с рядом расположенных в параллельных плоскостях его поперечного сечения щелевых сопл, сообщающихся с устройством для подачи атмосферного воздуха в виде насоса или конфузора, обеспечивающим подачу воздуха с напором, более чем в два раза превышающим давление в канале для подачи топливовоздушной смеси, с целью обеспечения акустического режима истечения.

Недостатком этого устройства является разрушение структуры потока в канале для подачи топливовоздушной смеси, так как ряд поперечных сечений этого канала полностью загромождается струями дополнительного воздуха, т.е. движение струй дополнительного воздуха никак не организовано. Это является следствием конструкции щелевых сопл, образованных рядом пластин, разделенных прокладками. При такой конструкции устройства большая доля кинетической энергии дополнительного воздуха расходуется не на дробление частиц топлива, а на их перемешивание с воздухом, что не дает существенного повышения эффективности смесеобразования. Устройство имеет также канал, сообщающий указанные сопла с системой выхлопа для подачи выхлопных газов совместно с дополнительным воздухом, что приводит к снижению температуры горения в камере сгорания и снижает содержание окиси азота в выхлопных газах.

Недостатком этого устройства также является необходимость в наличии специального устройства для создания повышенного напора дополнительного воздуха либо в одновременном наличии тракта подвода выхлопных газов и устройства для создания повышенного напора дополнительного воздуха при комбинированной подаче дополнительного воздуха, что усложняет конструкцию. Учитывая, что подача дополнительного воздуха в поток топливо-воздушной смеси подразумевает необходимость в воздушном фильтре, такое устройство требует трех отдельных компонентов: тракта для подвода выхлопных газов, устройства для создания повышенного напора дополнительного воздуха и воздушного фильтра.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является устройство для смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания, содержащее корпус с по меньшей мере одним каналом для подачи топливовоздушной смеси, канал для подачи газа в канал для подачи топливовоздушной смеси и по меньшей мере два расположенных по периферии поперечного сечения канала для подачи топливовоздушной смеси отверстия, сообщающих канал для подачи дополнительного газа с каналом для подачи топливовоздушной смеси и имеющих продольные оси, лежащие в одной плоскости поперечного сечения последнего [2] Это устройство обеспечивает подачу в канал для подачи топливовоздушной смеси множества отдельных газовых струй, формируемых вне указанного канала и перекрывающих определенную часть поперечного сечения канала. При этом обеспечиваются подвод дополнительной энергии к потоку топливовоздушной смеси, а также независимое от канала регулирование подвода воздуха для сгорания топлива в камере сгорания двигателя.

При применении описанного устройства для смесеобразования обеспечивается равномерность перемешивания топливовоздушной смеси по всему сечению потока, что обеспечивает равномерный состав смеси как по содержанию компонентов, так и по размерам топливных частиц. Это происходит благодаря определенному распределению газовых струй по сечению потока топливовоздушной смеси (которое может быть задано соответствующим размещением отверстий по периферии поперечного сечения канала для подачи топливовоздушной смеси) и равномерному подводу энергии газовых струй в различные точки поперечного сечения потока. Вместе с тем, это устройство, обеспечивающее 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 этого устройства. Это связано с тем, что при максимальном открывании дроссельной заслонки уменьшается разрежение в задроссельном пространстве канала для подачи топливовоздушной смеси, что приводит к резкому снижению скорости истечения газовых струй из газовых каналов. Энергии газовых струй, вводимых в поток топливовоздушной смеси, оказывается недостаточно при низких степенях разрежения в потоке топливовоздушной смеси при полностью открытой дроссельной заслонке. При этом уменьшается эффект перемешивания и интенсификации смесеобразования, что не обеспечивает всережимности интенсификации смесеобразования и снижает эффект подачи газовых струй в канал для подачи топливовоздушной смеси. Вместе с тем качество смеси и полнота ее сгорания на этих режимах работы являются определяющими не только для КПД и содержания СО в выхлопных газах, но, что особенно важно, для долговечности деталей системы газораспределения. Кроме того, это устройство не обеспечивает необходимой степени снижения содержания окиси азота в выхлопных газах. С этой точки зрения представляется весьма важным расширить возможность известного устройства для смесеобразования.

В основу изобретения положена задача создания устройства простой конструкции для смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания, которое обеспечивает подачу дополнительного воздуха в топливовоздушную смесь таким образом, чтобы обеспечить всережимное повышение эффективности смесесобразования при снижении содержания окиси азота.

Поставленная задача решается тем, что устройство для смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания, содержащее корпус с по меньшей мере одним каналом для подачи топливовоздушной смеси, подводящий канал для подачи газа в канал для подачи топливовоздушной смеси и множество разнесенных по периферии канала отверстий для подачи дополнительного газа, сообщающих подводящий канал с каналом для подачи топливовоздушной смеси и имеющих продольные оси, лежащие в одной общей плоскости поперечного сечения канала для подачи топливовоздушной смеси, снабжено эжектором, имеющим впускное и выпускное сопло, при этом впускное сопло эжектора сообщается с выхлопным коллектором двигателя, а выпускное сопло эжектора сообщается с подводящим каналом для подачи газа.

Благодаря тому, что при подаче газа, например атмосферного воздуха, в подводящий канал для подачи газа путем эжекции выхлопными газами из выхлопного коллектора двигателя внутреннего сгорания происходит увеличение скоростного напора потока газа под действием эффекта эжекции, газ истекает из отверстий в канал для подачи топливовоздушной смеси при большем давлении, следовательно, с более высокой скоростью. Это способствует проникновению газовых струй в поток топливовоздушной смеси на оптимальную глубину, обеспечивающую однородность смешивании топливовоздушной смеси и подводимого газа. При этом интенсификация смесеобразования не зависит от степени открывания дроссельной заслонки, т.е. от режима работы двигателя внутреннего сгорания, а определяется степенью эжекции выхлопными газами. С другой стороны, эжектирование дополнительного газа газами, поступающими из выхлопного коллектора двигателя внутреннего сгорания, приводит к нагреву этого газа, что способствует усиленному испарению топливного компонента смеси, в результате чего улучшаются условия смесеобразования и повышается температура горения в камере сгорания, следовательно, увеличивается полнота сгорания смеси, что повышает КПД и снижает токсичность выхлопных газов и, в частности, содержание окиси азота. Последнее происходит благодаря тому, что время сгорания топливовоздушной смеси уменьшается за счет его диффузионной составляющей. Известно, что время сгорания слагается из времени протекания кинетических реакций и времени диффузии. Последнее уменьшается благодаря интенсификации массообмена при повышении температуры горения. При этом эжектор совмещает функции устройства для создания акустического истечения струй дополнительного газа и функции устройства для подмешивания выхлопных газов к топливовоздушной смеси. Выпуск эжектирующих выхлопных газов вместе с дополнительным газом (воздухом) через отверстия, разнесенные по периферии поперечного сечения канала для подачи топливовоздушной смеси, обеспечивает равномерность подвода этих газов в отдельные точки поперечного сечения, что также повышает качество смесеобразования, в частности, с точки зрения равномерности температуры в объеме топливовоздушной смеси и ее состава.

Следует также отметить, что эжектирование дополнительного газа газами, поступающими из выхлопного коллектора двигателя внутреннего сгорания, обеспечивает автоматическое увеличение скоростного напора дополнительного газа, так как на повышенных режимах скоростной напор выхлопных газов возрастает, что приводит к увеличению эффекта эжектирования.

Эжектор может быть выполнен в виде пустотелого корпуса, имеющего соосные впускные и выпускные сопла в торцовых стенках и перфорированные боковые стенки. При этом обеспечивается простота конструкции и облегчается изготовление устройства.

Впускное сопло может быть установлено в корпусе эжектора с возможностью осевого перемещения относительно выпускного сопла. При этом обеспечивается возможность регулирования режима подачи дополнительных газов в топливовоздушную смесь в зависимости как от типа двигателя, так и от условий его эксплуатации (условия окружающей среды, типа топлива и т.п.).

Корпус эжектора может быть выполнен за одно целое с корпусом устройства. При этом уменьшаются габариты и упрощается установка устройства на двигатель внутреннего сгорания. Корпус эжектора может быть выполнен в виде воздушного фильтра. При этом упрощаются конструкция устройства, его изготовление и установка на двигателе внутреннего сгорания.

На фиг.1 схематично изображено предлагаемое устройство для смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания с частичным разрезом; на фиг.2 схематично изображен эжектор, корпус которого выполнен в виде воздушного фильтра, продольный разрез; на фиг.3 эжектор, вариант; на фиг.4 схематично изображено устройство для смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания с частичным разрезом, в котором эжектор выполнен за одно целое с корпусом устройства; на фиг.5 вид А на фиг.4.

Двигатель внутреннего сгорания 1 (фиг.1) имеет выхлопной коллектор 2. Устройство для смесеобразования в этом двигателе имеет корпус 3, который установлен в карбюраторе (не показан) или является его частью. В корпусе 3 имеются, например, два канала 4 для подачи топливовоздушной смеси, приготовляемой обычным способом, и подводящий канал 5 для подачи дополнительного газа, например воздуха, в каналы 4, который сообщается с одной стороны с источником дополнительного газа, например с атмосферой, с другой стороны через кольцевой канал 6 с множеством разнесенных по периферии канала отверстий 7. Таким образом, каналы 4 для подачи топливовоздушной смеси сообщаются с каналом 5 для подачи дополнительного газа через отверстия 7. Отверстия 7 расположены в одной плоскости поперечного сечения каналов 4. Количество отверстий 7 определяется требованиями конкретного применения. Целесообразно их размещение таким образом, чтобы их продольные оси были ориентированы по хордам поперечных сечений каналов 4.

Устройство снабжено эжектором 8, имеющим корпус 9, впускное сопло 10 и выпускное сопло 11, предпочтительно расположенные соосно. Впускное сопло 10 эжектора 8 сообщено с выхлопным коллектором 2 двигателя 1 через трубопровод 12, а выпускное 11 сопло эжектора 8 сообщено с каналом 5 для подачи дополнительного газа. Корпус 9 эжектора 8 имеет резьбу для соединения с корпусом 3 устройства, при этом выпускное сопло 11 может быть частью корпуса 3 устройства, что не оказывает существенного влияния на работу предлагаемого устройства. Корпус 9 эжектора 8 имеет отверстия перфорацию 13 для забора воздуха из атмосферы. Это не является обязательным признаком, так как воздух или другой газ может отбираться из другого источника, например из любой безнапорной емкости. На эжекторе 8 может быть установлен фильтр для предотвращения засорения отверстий 7.

На фиг.2 корпус эжектора 8 снабжен воздушным фильтром, имеющим наружную фильтрующую оболочку 14 и внутреннюю перфорированную стенку 15.

На фиг. 3 представлен вариант эжектора 8, в котором впускное сопло 10 установлено в корпусе 9 эжектора с возможностью осевого перемещения относительно выпускного сопла 11. При этом обеспечивается возможность регулирования расстояния между двумя соплами, что приводит к изменению степени эжекции, т. е. позволяет регулировать степень интенсификации смесеобразования и состав топливовоздушной смеси. Такое регулирование обеспечивается, например, посредством резьбового соединения 16 впускного сопла с корпусом 9 (фиг.3). При этом регулировка обеспечивается вращением корпуса 9.

На фиг. 4 корпус эжектора 8 выполнен за одно целое с корпусом 3 устройства. Трубопровод 12 соединен с эжектором 8 и сообщает выхлопной коллектор двигателя (не показан) с впускным соплом 10 эжектора, размещенным соосно с выпускным соплом 11, выполненным непосредственно в канале 5. В сквозных пазах корпуса 3 размещены сетки-фильтры 17 (фиг.4, 5) для забора воздуха из атмосферы.

Устройство для смесеобразования в двигателе внутреннего сгорания работает следующим образом.

Приготовленная обычным образом топливовоздушная смесь поступает по каналам 4 к впускному коллектору (не показан). При этом в каналах 4 создается разрежение, что обеспечивает принудительный забор (подсос) дополнительного газа, например воздуха, через перфорацию 13 корпуса 9 эжектора 8. Скорость забираемого воздуха определяется степенью разрежения в каналах 4. В то же время после запуска двигателя выхлопные газы из выхлопного коллектора 2 поступают по трубопроводу 12 в корпус 9 эжектора 8 и попадают во впускное сопло 10. Выходя из сопла 10, выхлопные газы захватывают поток воздуха, поступающего во внутреннюю полость корпуса 9 эжектора 8, и придают ему ускорение. Совмещенный поток воздуха и выхлопных газов поступает через выпускное сопло 11 в канал 5 для подачи дополнительного газа, а оттуда через кольцевой канал 6 в отверстия 7 и в каналы 4 для подачи топливовоздушной смеси. При этом воздух нагревается на контакте с выхлопными газами. Попадая в каналы 4, воздух и выхлопные газы осуществляют дробление частиц топлива и дополнительное перемешивание частиц топлива с воздухом, благодаря чему улучшается качество топливовоздушной смеси, к тому же смесь нагревается выхлопными газами перед поступлением во впускной коллектор. Благодаря эффекту эжекции скоростной напор струй воздуха, подаваемых через отверстия 7, не зависит от степени разрежения в каналах 4, т.е. от степени открывания дроссельной заслонки, определяющей режим работы двигателя 1. При этом очевидно, что при увеличении открывания дроссельной заслонки, когда степень разрежения в каналах 4 снижается, скорость струй воздуха, эжектируемых выхлопными газами двигателя 1, не только не изменяется, но и возрастает, так как на повышенных режимах двигателя увеличивается скоростной напор выхлопных газов, что приводит к возрастанию эффекта эжекции и росту скоростного напора воздушных струй, истекающих из отверстий 7. Это весьма целесообразно, так как при увеличении открывания дроссельной заслонки возрастает количество топливовоздушной смеси, что требует более интенсивной обработки ее дополнительным газом.

Таким образом, описанное устройство обеспечивает интенсификацию смесеобразования в равной мере на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания.

Корпус эжектора 8 на фиг.2, снабженный воздушным фильтром, обеспечивает работу предлагаемого устройства так же, как описано выше. Различие заключается в том, что воздушный фильтр гарантирует чистоту воздуха и предотвращает засорение отверстий 7, а конструкция устройства и его установка на двигатель упрощаются.

При конструкции эжектора 8 на фиг.3, где впускное сопло 10 установлено в корпусе 9 эжектора с возможностью осевого перемещения относительно выпускного сопла 11, устройство работает так же, как описано выше. При регулировке эффекта эжекции для изменения степени интенсивности перемешивания топливовоздушной смеси и интенсификации процесса смесеобразования вращают корпус 9 эжектора 8 в ту или иную сторону, изменяя таким образом расстояние между впускным соплом 10 и выпускным соплом 11.

Вариант, представленный на фиг.4, в котором корпус эжектора 8 выполнен за одно целое с корпусом 3 устройства, работает так же, как и вариант, представленный на фиг.1. Отличием этого варианта являются компактность и простота конструкции.

Преимуществами предлагаемого устройства являются высокая эффективность интенсификации смесеобразования на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания.

Использование: в двигателестроении, в устройствах для образования топливовоздушной смеси с добавлением вторичного воздуха и отработавших газов к смеси. Сущность изобретения: устройство содержит корпус 3 с по меньшей мере одним каналом 4 для подачи топливовоздушной смеси, подводящий канал 5 для подачи дополнительного газа в канал 4 и множество разнесенных по периферии поперечного сечения канала 4 отверстий 7, сообщающих подводящий канал 5 с каналом 4 для подачи топливовоздушной смеси и размещенных в одной плоскости поперечного сечения канала 4. Устройство имеет эжектор 8 с соосными впускным 10 и выпускным 11 соплами. Впускное сопло 10 эжектора 8 сообщено с выхлопным коллектором 2 двигателя 1, а выпускное сопло 11 - с каналом 5 для подачи дополнительного газа. Корпус 9 эжектора 8 имеет отверстия 13 на боковых стенках для забора воздуха из атмосферы. По вариантам выполнения устройства корпус 9 эжектора 8 может быть выполнен за одно целое с корпусом 3 устройства или снабжен воздушным фильтром, сопло 10 может быть установлено в корпусе 9 с возможностью осевого перемещения относительно сопла 11. Устройство обеспечивает интенсивное смесеобразование на всех режимах работы двигателя внутреннего сгорания. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее корпус с по меньшей мере одним каналом для подачи топливовоздушной смеси, канал для подачи дополнительного газа в канал для подачи топливовоздушной смеси и по меньшей мере два расположенные по периферии поперечного сечения канала для подачи топливовоздушной смеси отверстия, сообщающие канал для подачи дополнительного газа с каналом для подачи топливовоздушной смеси и имеющие продольные оси, лежащие в одной плоскости поперечного сечения последнего, отличающееся тем, что оно снабжено эжектором, имеющим впускное и выпускное сопла, при этом впускное сопло эжектора сообщено с выхлопным коллектором двигателя, а выпускное сопло эжектора сообщено с каналом для подачи дополнительного газа. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эжектор выполнен в виде пустотелого корпуса, имеющего соосные впускное и выпускное сопла и перфорированные боковые стенки. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что впускное сопло установлено в корпусе эжектора с возможностью осевого перемещения относительно выпускного сопла. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что корпус эжектора выполнен за одно целое с корпусом устройства. 5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что корпус эжектора снабжен воздушным фильтром.