СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02M31/00 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к смесеобразованию, и системам питания бензиновых двигателей внутреннего сгорания транспортных средств.

Известна система питания для двигателя внутреннего сгорания, являющаяся наиболее близкой к предложенной, содержащая корпус с проточным каналом и размещенной в последнем дроссельной заслонкой, испарительное поверхностное устройство, выполненное с проходным каналом, соединенным с проточным каналом корпуса, и имеющее элемент локализованного подвода тепла с обогреваемой обработавшими газами поверхностью, и топливоподающее устройство, расположенное у испарительного поверхностного устройства со стороны, противолежащей элементу локализованного подвода тепла, причем проходной канал испарительного устройства сообщен с впускным коллектором, имеющим входные каналы по числу цилиндров [1]
Испарительное поверхностное устройство выполнено в виде цилиндрического стакана, имеющего радиальные отверстия, расположенные в стенке у дна, причем наружная поверхность дна стакана образует элемент локализованного подвода тепла, а внутренняя поверхность дна совместно с прилежащей к ней частью стенки образует в проходном канале распределительную камеру, сообщенную через радиальные отверстия с входными каналами впускного коллектора.

Недостатком известного устройства является недостаточно равномерное распределение жидкого топлива, наносимого на холодную внутреннюю стенку испарителя, из-за отсутствия высокоскоротного воздушного вихря и спирального движения увлекаемой воздушным потоком пленки, начальная толщина которой оказывается более 100 мкм. Следствием этого является неполная газификация жидкого топлива в испарителе, особенно при малых нагрузках (прикрытых дросселях), повышенные расходы топлива и токсичности отработавших газов.

Целью изобретения является повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов двигателя за счет более полной гомогенизации топливовоздушной смеси в испарителе.

Эта цель достигается тем, что в системе питания для двигателя внутреннего сгорания испарительное устройство снабжено проставкой с воздушным каналом, сообщающим соосный проходной канал испарителя с проточным каналом, последний ориентирован тангенциально к воздушному каналу проставки, а образующие их поверхности сопряжены в плоскости, перпендикулярной оси поворота заслонки, при этом ближняя к оси проходного канала половина дроссельной заслонки в незакрытом положении расположена со стороны указанного сопряжения, а топливоподающий канал ориентирован тангенциально к проходному каналу испарителя по направлению закрутки воздушного потока.

Участок проточного канала после дроссельной заслонки выполнен сужающимся в направлении проходного канала испарителя.

Благодаря формированию равномерной микропленки жидкого топлива толщиной менее 80-100 мкм, движущейся спирально по внутренней поверхности испарителя под воздействием скоростного вихревого потока воздуха вдоль плавно нарастающего поля температур, обеспечивается лавинообразное ускорение процессов пленочного тепломассообмена, гарантирующее газификацию пленки жидкого топлива. Следствием этого является снижение расхода топлива и токсичности отработавших газов.

На фиг. 1 показана предлагаемая система питания, общий вид; на фиг.2 то же, вид сверху.

Система питания содержит цилиндрический корпус 1 поверхностного испарителя жидкого топлива с участком 2 внутреннего цилиндрического проходного канала, сообщенным через боковые окна 3 с впускными каналами 4 коллектора двигателя, участок 5 упомянутого проходного канала, выполненный в проставке 6 испарителя над участком 2 соосно ему, проточный канал 7 с расположенной в нем дроссельной заслонкой 8, воздушный канал 9, расположенный в простаке перед участком 5 проходного канала, имеющий с ним общую вертикальную ось и плавно сопряженный с ним, топливоподающее устройство, имеющее электромагнитную форсунку 10 с соосным ей топливоподающим каналом 11 для подачи жидкого топлива на стенку участка 5 проходного канала испарителя. Составные части испарителя могут быть выполнены в виде единой детали. Испаритель выполняется из высокотеплопроводного материала, например алюминия, латуни и т.п. и имеет элемент 12 локализованного подвода тепла (от отработавших газов) на конце, противолежащем расположению форсунки 10. Форсунка 10 топливоподающего устройства подключена к выходу электронного дозирующего блока, к входу которого (аналогично прототипу) подключены датчики режимных параметров двигателя (не показаны). Ось топливоподающего канала 11 перпендикулярна оси проходного канала испарителя, а стенка 13 топливоподающего канала расположена в плане по касательной к стенке расположенного в проставке 6 участка 5 проходного канала. Проточный канал 7 имеет участок, расположенный в проставке, и участок, расположенный внутри соединенного с проставкой патрубка 14, где концентрично установлена дроссельная заслонка 8. Второй конец патрубка 14 связан с воздушным фильтром (не показан). Ось канала 7 перпендикулярна оси участков 2 и 5 проходного канала и канала 9, при этом стенка 15 канала 7 расположена в плане по касательной к сопрягаемой с ней стенке канала 9. Проточный и топливоподающий каналы в общем случае расположены таким образом, что обеспечивают попутное движение воздушного потока и микропленки жидкого топлива по стенке проходного канала испарителя. В частном случае выполнения системы форсунка 10 и дроссельная заслонка 8 размещены по разные стороны относительно профильной плоскости, проведенной через ось проходного канала, а оси проточного и топливоподающего 11 каналов расположены по разные стороны относительно фронтальной плоскости, проведенной через ту же ось. Предпочтительно выполнение участка 16 проточного канала, расположенного между дроссельной заслонкой и испарителем, конфузорным, сужающимся в направлении проточного канала испарителя. Дроссельная заслонка 8 закреплена на оси, расположенной параллельно оси проходного канала. Привод оси заслонки от педали (не показан) обеспечивает угловое перемещение заслонки, при этом при частично прикрытых положениях, соответствующих частичным нагрузкам двигателя, заслонка располагается таким образом, что ее ближний к оси проходного канала край 17 оказывается со стороны плавного сопряжения по касательной стенке 15 со стенкой канала 9. Дроссельная заслонка установлена в непосредственной близости от места сопряжения каналов 7 и 9. Расстояние от оси дроссельной заслонки до проекции на ось проточного канала 7 линии плавного сопряжения стенки 15 со стенкой канала 9 не превышает двух-трех диаметров участка канала вблизи от места упомянутого сопряжения.

Для восприятия теплоты отработавших газов цилиндрический корпус испарителя плотно прижат к поверхности выпускного трубопровода 18.

Подбором толщины испарителя и материала по коэффициенту теплопроводности, а также площади теплоприемника в выхлопном трубопроводе обеспечивают плавное нарастающее поле температур в пределах температур фракционной разгонки топлива (в диапазоне от температуры окружающего воздуха до ≈ 200^оС). Опытами установлено, что минимальная температура горячего края, при которой гарантирована газификация бензина, составляет 135-140^оС.

Предлагаемая система работает следующим образом. На стенку проходного канала холодного края испарителя по касательной к этой стенке с помощью форсунки 10 наносят жидкое топливо. Дозирование его подачи осуществляют путем изменения длительности управляющих импульсов, поступающих от электронного дозирующего блока и формируемых в зависимости от сигналов датчиков режимных параметров. Одновременно воздух в регулируемом при помощи дроссельной заслонки 8 количестве направляют через проточный канал 7 в канал 9. Воздушный поток разгоняют в дросселирующем сечении заслонки 8, прижимая при этом поток к тангенциальной стенке 15 и с целью сохранения скорости потока, вырывающегося из дросселя, и превращения его кинетической энергии в живую силу направленного вихря поток сразу после прохода им дросселирующего сечения закручивают при входе в расположенной в непосредственной близости от дроссельной заслонки и перед проходным каналом испарителя канал 9. Выполнением участка канала 7 конфузорным поток можно дополнительно ускорить, усиливая образующийся вихрь. По мере дросселирования скорость воздушного вихря резко возрастает, достигая почти скорости звука. Топливо, поданное тангенциально на стенку проточного канала испарителя, подхватывается мощным вихревым потоком воздуха и раскатывается в тончайшую равномерную пленку. Направленный вихревой поток газа увлекает тонкую топливную пленку по спиральной траектории, увеличивая путь и время движения пленки по внутренней стенке испарителя и обеспечивая ее более плавный и интенсивный прогрев. Вихрь прижимает пленку к стенке и осаждает на нее все частицы топлива, попавшие в поток, исключая срыв капель с пленки и гарантируя их последующее полное испарение, т.е. полное осушение топливовоздушной смеси.

При движении жидкого топлива в виде пленки по высокотеплопроводной стенке навстречу тепловому потоку в поле плавно нарастающей температуры происходит процесс газификации топлива, при этом эффективность это процесса зависит от начальной толщины пленки. Для бензина экспериментально установленная критическая толщина пленки оказалась равной 80-100 мкм. При толщине пленки более 100 мкм (это имеет место в прототипе) тепломассообмен происходит в режиме пузырькового кипения, при котором выкипание неполно (60-80%) и значительны смолистые отложения. Напротив, при микропленках с начальными толщинами менее 80-100 мкм развивается процесс молекулярного кипения без паровых пузырьков, характеризующийся лавиноускоряющимся процессом теплообмена (с вплеском коэффициента теплоотдачи к концу испарения и газификации), следствием чего является 100% полнота газификации бензина без разложения и брызгоуноса при саморегулируемости процессов тепломассообмена даже на переменных режимах. Для микропленок процесс теплообмена лавинообразно нарастает, достигая величин 20000-30000 ккал/м²˙ч град. С и более, что связано со спиральным движением микропленки под действием направленного высокоскоростного воздушного вихря в поле плавного нарастания температуры, постепенным включением фракций топлива в режим молекулярного кипения и непрерывным утонением пленки. Таким образом, лавиноускоряющийся процесс теплообмена и газификации при молекулярном кипении жидкого топлива достигается при обязательном одновременном сочетании следующих факторов: равномерном распределении жидкого топлива на холодном крае стенки испарителя в виде отдозированной микропленки с начальной толщиной менее 80-100 микрон, формировании направленного высокоскоростного воздушного вихря перед проходным каналом испарителя и последующим спиральным движением микропленки под действием этого вихря вдоль плавно нарастающего поля температур.

Топливная пленка, сделав несколько оборотов по поверхности проходного канала, испаряется, при этом происходит не просто испарение топлива, а испарение до перегретого сухого пара, последующая конденсация которого вследствие этого затруднена. Более благоприятным условиям испарения способствует также расположение испарителя после дроссельной заслонки в связи с меньшими там давлениями и соответственно температурой кипения и квазипостоянными скоростями газа и пленки. Пары топлива перемешиваются с воздухом, и гомогенную топливовоздушную смесь подают во впускные каналы коллектора и далее в цилиндры двигателя.

В результате во впускном коллекторе и цилиндрах будут отсутствовать не только капли, но и конденсат топлива. Это обеспечит расширение пределов обеднения и надежное поджигание смеси искрой, снизит токсичность выхлопа по всем компонентам и улучшит топливную экономичность. Обеспечивается возможность отказа от применения нейтрализаторов отработавших газов. Отмеченные преимущества могут быть реализованы как в двигателях с однополостной камерой сгорания, так и в двигателях с форкамерно-факельным зажиганием для питания впускных коллекторов основного цилиндра и форкамеры.

Использование: двигателестроение, в частности смесеобразование, и системы питания бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: система питания содержит цилиндрический корпус 1 поверхностного испарителя жидкого топлива с участком 2 внутреннего цилиндрического проходного канала, сообщенным через боковые окна 3 с впускными каналами 4 коллектора двигателя, участок 5 упомянутого проходного канала, выполненный в проставке 6 испарителя над участком 2 соосно ему, проточный канал 7 с расположенной в нем дроссельной заслонкой 8, воздушный канал 9, расположенный в проставке перед участком 5 проходного канала, имеющий с ним общую вертикальную ось и плавно сопряженный с ним, топливоподающее устройство, имеющее электромагнитную форсунку 10 с соосным ей топливоподающим каналом для подачи жидкого топлива на стенку участка 5 проходного канала испарителя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая корпус с проточным каналом и размещенной в последнем дроссельной заслонкой, испарительное поверхностное устройство, выполненное с проходным каналом, соединенным с проточным каналом корпуса, и имеющее элемент локализованного подвода тепла с обогреваемой отработавшими газами поверхностью, и топливоподающее устройство, расположенное у испарительного поверхностного устройства со стороны, противолежащей элементу локализованного подвода тепла, причем проходной канал испарителя сообщен с впускным коллектором, имеющим входные каналы по числу цилиндров, испарительное поверхностное устройство выполнено в виде цилиндрического стакана, имеющего радиальные отверстия, расположенные в стенке у дна, по числу цилиндров, наружная поверхность два стакана образует элемент локализованного подвода тепла, а внутренняя поверхность дна совместно с прилежащей к ней частью стенки образует в проходном канале распределительную камеру, сообщенную через радиальные отверстия с входными каналами впускного коллектора, отличающаяся тем, что испарительное устройство снабжено проставкой с воздушным каналом, сообщающим проточный канал с проходным каналом испарителя, проточный канал ориентирован тангенциально к воздушному каналу проставки, образующие их поверхности сопряжены в плоскости, перпендикулярной оси поворота заслонки, при этом ближняя к оси проходного канала половина дроссельной заслонки в незакрытом положении расположена со стороны указанного сопряжения, а топливоподающий канал ориентирован тангенциально к проходному каналу испарителя по направлению закрутки воздушного потока. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что участок проточного канала после дроссельной заслонки выполнен сужающимся в направлении проходного канала испарителя.