ГАЗОВОЗДУШНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02M21/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к системам смесеобразования и подачи топливного газа в газовый двигатель внутреннего сгорания.

Известны газовоздушные смесители, предназначенные для приготовления газовоздушной смеси для питания газового двигателя, в которых в качестве регулирующего органа для впуска и смешивания топливного газа с воздухом используются клапанные газосмесительные устройства [1]
Такие газосмесительные устройства содержат основной впускной и газовый клапаны, газовую и воздушную дроссельную заслонки, воздушный и газовый ресиверы, газовые регуляторы с клапанами, газовые и воздушные коллекторы. Регулирование качества смеси (соотношение между воздухом и газом) осуществляется с помощью приспособления, устанавливаемого на дроссельной коробке, при помощи которого изменяется проходное сечение для газа.

Смешение газа и воздуха в таких смесителях происходит непосредственно перед впускным клапаном двигателя и при проходе через него.

Недостатком известного смесительного устройства является неудовлетворительное перемешивание топливного газа с воздухом и, как следствие, невозможность получения равномерного состава горючей смеси по всему объему цилиндра; регулирование качества смеси, т.е. соотношение между воздухом и газом осуществляется вручную, что создает неудобства при эксплуатации двигателя и не обеспечивает требуемой точности регулирования состава смеси на переходных режимах, ведущей к снижению экономичности работы двигателя; наличие нескольких регулирующих элементов для регулирования количества и качества смеси сильно осложняет конструкцию, что делает ее недостаточно надежной, ведущей к снижению надежности работы двигателя в целом; при переводе (конвертировании) на газ существующих двигателей внутреннего сгорания необходимость раздельной подачи газа и воздуха требует прибегать либо к изготовлению новой крышки, либо к изготовлению нового дополнительного газосмесительного клапана, что усложняет конструкцию двигателя и делает его более дорогим в изготовлении.

Из известных газовоздушных смесителей для двигателя внутреннего сгорания наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является газовоздушный смеситель [2] Этот смеситель содержит корпус с выполненными в нем входными отверстиями для подачи газа и воздуха, кольцеобразной полостью газа и каналами подачи воздуха и газа на холостом ходу, перекрываемыми регулировочными винтами, и с установленной в магистрали подачи смеси к двигателю дроссельной заслонкой. В расточке корпуса смесителя установлен на пружине полый поршень дозатор с выполненными на его цилиндрической поверхности сквозными профилированными окнами для прохода воздуха и газа. Внутренняя полость поршня-дозатора образует смесительную камеру, в которой осуществляется смешение топливного газа с воздухом. Для образования воздушного дросселя в расточке корпуса выполнен ряд отверстий, сопрягаемых в процессе работы (в процессе перемещения поршня) с воздушными профилированными окнами в поршне. Отверстия в расточке корпуса для образования газового дросселя совместно с профилированными окнами в поршне-дозаторе выполнены в виде кольцевой щели, соединяющей кольцеобразную полость корпуса с поверхностью расточки.

Профилированные воздушные окна в поршне выполнены трапецеидальной формы с уменьшением сечения к днищу, а профилированные газовые окна треугольной формы и обращенной к днищу поршня вершиной.

Известный газовый смеситель для двигателя внутреннего сгорания обладает рядом недостатков: управление поршнем-дозатором, обеспечивающим количественное регулирование смеси за счет вертикального его перемещения в расточке корпуса, осуществляется под действием разрежения в его внутренней полости вследствие увеличения открытия дроссельной заслонки в процессе работы двигателя, в результате чего данный смеситель не может быть использован в двигателях внутреннего сгорания с наддувом; управление дроссельной заслонкой, регулирующей количество смеси, осуществляется вручную; внутренняя полость поршня-дозатора служит смесительной камерой, которая не может являться оптимальной с конструктивной точки зрения для смешения топливного газа с воздухом, а следовательно, создания однородного состава смеси по всему объему цилиндра; газовоздушный смеситель может осуществлять только количественное регулирование смеси, что не обеспечивает оптимальную работу двигателя на основных режимах (оптимальным является смешанное регулирование); невозможность применения данного смесителя для работы двигателя на природных газах с различными составами, так как профилированные воздушные и газовые окна имеют строго постоянные (фиксированные) относительно друг друга значения; отсутствие возможности регулирования начала действия поршня-дозатора и тем самым получения желаемой характеристики работы смесителя; газовоздушный смеситель на всех режимах работы двигателя обеспечивает постоянный состав горючей смеси (α 0,96-1,0), что соответствует работе двигателя на максимальной мощности и что не может являться оптимальным для всех режимов, так как при переходе на работу с прикрытой дроссельной заслонкой (при переходе на частичные нагрузки) смеситель должен приготовлять смесь, соответствующую наиболее экономичной работе, т.е. с уменьшением нагрузки двигателя коэффициент избытка воздуха α должен уменьшаться, что соответствует характеристике идеального карбюратора.

Целью изобретения является повышение экономичности путем поддержания оптимального состава горючей смеси.

Цель достигается тем, что в известном газовоздушном смесителе для двигателя внутреннего сгорания, содержащем неподвижный корпус с внутренней расточкой и с размещенными в ней боковыми дроссельными отверстиями, с входными и выходными каналами для подачи воздуха и газа, каналами подачи воздуха и газа на холостом ходу с регулировочными винтами, поршень-дозатор с профилированными окнами, установленный на пружине и помещенный в расточке корпуса с возможностью его возвратно-поступательного перемещения относительно последнего и смесительную камеру, газовоздушный смеситель дополнительно снабжен регулирующим устройством, выполненным в виде цилиндрической втулки с крышкой и с размещенными в ней автоматическим корректирующим клапаном, снабженным возвратной пружиной и нажимным винтом, и газовым каналом максимальной мощности с дросселирующей (регулировочной) иглой, газовые воздушные дроссели в боковых стенках втулки и корпуса газовоздушного смесителя выполнены в виде круглых отверстий и профилированных окон прямоугольной формы в четырех различных поперечных плоскостях сечения, поршень-дозатор выполнен составным в виде двух отдельных золотников, подпружиненных с одной стороны регулируемой возвратной пружиной, снабженной регулировочным винтом, и кинематически связанных между собой разжимной пружиной, а профилированные окна в поршне-дозаторе для образования воздушные и газовых дросселей выполнены в виде кольцевых проточек различной ширины, размещенных на наружной поверхности золотников, причем на воздушном золотнике выполнена широкая кольцевая проточка, на газовом узкая кольцевая проточка с радиальными отверстиями по окружности, примыкающими к осевому каналу золотника, постоянно сообщающемуся с газовой полостью, образованной внутренней поверхностью втулки, торцовой поверхностью поршня-дозатора и крышкой газовоздушного смесителя, смесительная камера выполнена в виде отдельного замкнутого цилиндра с расположенными по касательной к образующей внутренней поверхности цилиндра входными каналами и выходным торцовым соплом с размещенным в нем по оси завихрителем, выполненным в виде вставки с наружной винтовой кромкой.

Заявителю не известны технические решения, где совокупность признаков позволила бы так повысить экономичность работы двигателя, как предлагаемое техническое решение, и поэтому последнее соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображен предложенный газовоздушный смеситель для двигателя внутреннего сгорания, общий вид; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Газовоздушный смеситель для двигателя внутреннего сгорания содержит неподвижный корпус 1, размещенную в нем втулку 2 с газопроходными отверстиями 3-5 и воздушными 6-8, внутри которой установлен поршень-дозатор, выполненный составным в виде двух отдельных золотников 9 и 10, кинематически связанных между собой упругим элементом в виде разжимной пружины 11 и подпружиненных возвратной пружиной 12. Поршни-дозаторы 9 и 10 перемещаются во втулке 2 корпуса газовоздушного смесителя 1 под действием избыточного давления топливного газа в его внутренней полости, сообщенной с газовой магистралью.

На золотниках 9 и 10 выполнены две наружные кольцевые протечки соответственно узкая 13 и широкая 14. В золотнике 9 дополнительно выполнены осевой канал 15 и радиальные отверстия 16, а в золотнике 10 упор 17. В корпусе 1 и втулке 2 два отверстия 7 и 8 выполнены в виде прямоугольных окон в одной поперечной плоскости различной высоты.

Корпус 1 и втулка 2 с обеих сторон закрыты крышками 18 и 19. В передней крышке 18 для подвода топливного газа выполнен канал 20, а в задней крышке 19 выполнено резьбовое отверстие под регулировочный винт 21 с ограничителем 22.

С наружной стороны корпуса 1 по оси отверстия 4 установлено регулирующее устройство, выполненное в виде цилиндрической втулки с крышкой 23 и с размещенным в нем автоматическим клапаном 24, пружиной 25 и регулировочным винтом 26. Клапан 24 постоянно прижат пружиной 25 к седлу 27. Клапан 24 под действием давления топливного газа может перемещаться вдоль оси в вертикальной плоскости.

Внутренняя полость цилиндрической втулки 23 с одной стороны через каналы 28-30 сообщена с газовыми отверстиями соответственно 3, 4 и 5, с другой через канал 31 со смесительной камерой 32. В свою очередь смесительная камера 32 через канал 33 сообщена с воздушным окном 7, а через воздушный канал 34 холостого хода с отверстием 6.

Газовые каналы холостого хода 23 и максимальной мощности 30 снабжены регулировочными иглами соответственно 35 и 36, а воздушный канал 34 холостого хода регулировочной иглой 37.

Внутренняя полость смесительной камеры 32 выполнена в виде замкнутого цилиндра с входными каналами 38 и 39, выполненными по касательной к образующей внутренней поверхности цилиндра, и выходным торцовым соплом 40 с размещенным в нем по оси завихрителем 41, выполненным в виде вставки с наружной винтовой кромкой.

С каналом 20 подачи газа отверстия 3 и 4 сообщаются через газовую полость 42, образованную внутренней поверхностью втулки 2, торцовой поверхностью поршня-дозатора 9 и крышкой газовоздушного смесителя 18, а отверстие 5 через кольцевую проточку 13, радиальные отверстия 16 и осевой канал 15. С каналом 43 впуска воздуха окно 7 и отверстие 6 сообщаются через кольцевую проточку 14 и окно 8.

В передней крышке 18 для ограничения осевого перемещения поршня-дозатора 9 установлен упор 44. Разжимная пружина 11 и возвратная пружина 12 имеют различную жесткость, причем жесткость пружин 11 и 12 подобрана таким образом, что при осевом перемещении поршней-дозаторов 9 и 10 сначала сжимается пружина 12, а затем начинает сжиматься пружина 11.

Качественное и количественное регулирование горючей смеси в газовоздушном смесителе осуществляется золотниками 9 и 10, кинематически связанными между собой упругим элементом в виде пружине 11 и регулирующим устройством 23 с автоматическим клапаном 24. Обогащение горючей смеси до требуемого состава при работе двигателя с максимальной нагрузкой осуществляется с помощью обогатительного устройства с отверстием 5, каналом 30 и регулировочным винтом 36.

Работа газовоздушного смесителя осуществляется следующим образом.

При запуске и работе двигателя на холостом ходу давление в газовой магистрали 20, а следовательно, в газовой камере 42 невелико и пружины 11 и 12 прижимают поршни 9 и 10 до упора 44 в крайнее левое положение, при этом газ под некоторым постоянным давлением из газовой магистрали через газовый канал 20 поступает в замкнутую газовую полость 42. Из газовой полости 42 газ через газовый канал 28 холостого хода с регулировочной иглой 35, цилиндрическую втулку 23 и канал 31 поступает в смесительную камеру 32.

Одновременно из канала 43 через широкую кольцевую проточку 14, калиброванное отверстие 6 и воздушный канал 34 холостого хода с регулировочной иглой 37 в смесительную камеру 32 поступает воздух. Поршень-дозатор 10 в этот момент установлен в положение минимального открытия, т.е. зазор, открываемый между торцовой поверхностью кольцевой проточки 14 и профилированным окном 8, имеет минимальное значение. Следовательно, смесь воздуха и газа, поступающего в двигатель через смеситель, тоже минимальна.

По мере роста нагрузки двигателя и, как следствие, увеличения давления топливного газа в газовой магистрали 20 и газовой полости 42 в результате возросшего усилия поршня-дозатора 9 и 10 перемещаются вправо, сжимая пружину 12, приоткрывая передней плоскостью поршня-дозатора 9 калиброванное отверстие 4 и увеличивая площадь проходного сечения щели между кольцевой проточкой 14 воздушного поршня-дозатора 10 и профилированными воздушными окнами 7 и 8. Калиброванное отверстие 4 и профилированные окна 7 и 8 в данном случае выполняют функцию газового и воздушного дросселей переменного сечения. Экспериментально подобранные площади поперечного сечения калиброванных отверстий и профилированных окон позволяют обеспечить такой закон подачи газовоздушной смеси за счет дросселирования, который соответствует оптимальному составу горючей смеси на всех режимах работы двигателя.

Под действием избыточного давления клапан 24 открывается. Через образовавшийся зазор между седлом 27 и клапаном 24 газ через канал 31 поступает в газовый смеситель 32.

При нагрузке двигателя, близкой к полной, и номинальной частоте вращения коленчатого вала поршень-дозатор 10 газовоздушного смесителя занимает такое положение, при котором его упор 17 упирается в конец регулировочного винта ограничитель 22. Усилие от давления топливного газа на поршень-дозатор 9 в этот момент уравновешивается возвратной пружиной 11. Основной топливный газ и воздух в смеситель поступают соответственно через отверстие 4 и профилированное окно 7.

При дальнейшем увеличении внешней нагрузки (при полной нагрузке двигателя) давление топливного газа в газовой магистрали 20 с помощью регулятора частоты вращения (не показан) повышается, газовый поршень-дозатор 9, преодолевая сопротивление пружины 11 сжатия, передвигается в сторону увеличения подачи топливного газа путем дополнительного открытия калиброванного отверстия 5 кольцевой проточкой 13.

В смеситель 32 через осевой канал 15 и радиальные отверстия 16 в золотнике 9, отверстие 5, канал 30 максимальной мощности с регулировочной иглой 36 и канал 31 поступит дополнительное количество топливного газа, соответствующее мощностной регулировке смесителя. Смесь дополнительно обогащается.

При деформации пружины 11 на дополнительную величину возникает дополнительное увеличение подачи топлива и этим самым корректируется характеристика двигателя. Изменяя жесткость пружины 11 и положение регулировочного винта 36, можно получить желаемый вид скоростной и нагрузочной характеристик.

Дальнейшее перемещение поршня-дозатора 9 вправо в результате увеличения нагрузки двигателя влечет за собой снижение дополнительной порции топливного газа вследствие прикрытия отверстия 5 поверхностью поршня-дозатора, снижая обогащение смеси, предотвращая тем самым перегрузку двигателя.

По мере снижения нагрузки двигателя и, как следствие, снижения давления топливного газа в газовой магистрали 20 поршни-дозаторы 9 и 10 под действием усилий пружин 11 и 12 перемещаются влево, уменьшая подачу топливного газа и воздуха, приводя количество и качество (состав) газовоздушной смеси в соответствие с режимом работы двигателя.

Порядок закрытия поршнями-дозаторами окон (отверстий) при снижении нагрузки обратный, т.е. сначала закрываются газовпускной канал 30 обогащения смеси и впускной канал 29, а затем воздушный канал 33.

Изменяя предварительное натяжение разжимной 11 и возвратной 12 пружин, а также пружины 25 автоматического клапана 24, осуществляется регулирование начала открытия поршней-дозаторов 9 и 10 и клапана 24 и приготовление горючей смеси необходимого состава.

Регулирование количества горючей смеси, поступающей в цилиндры при различных режимах работы двигателя, и соотношение в ней газа и воздуха (качество смеси) осуществляется поршнями-дозаторами 9 и 10.

При перемещении поршней-дозаторов 9 и 10 в ту или другую сторону увеличивается или уменьшается степень открытия дросселирующих отверстий 4 и 5 и окон 7 и 8 между неподвижной втулкой 2 и подвижными золотниками (поршнями-дозаторами) 9 и 10, осуществляя таким образом в зависимости от нагрузки количественную регулировку смеси смешиваемых газов.

При открытии клапана 24 под действием давления топливного газа уменьшается или увеличивается зазор между седлом 27 и клапаном 24 для прохода топливного газа, регулируя таким образом пропорцию (соотношение) в смеси смешиваемых газов, т.е. осуществляя качественную регулировку.

Регулирование количества и качества смеси осуществляется подбором пружин 11, 12 и 25 соответствующей жесткости и подбором предварительного натяга пружин с помощью регулировочных винтов 21 и 26.

Управление поршнями-дозаторами 9 и 10, регулирующими количество и качество подаваемой в цилиндры горючей смеси, осуществляется автоматически изменением давления топливного газа (от регулятора двигателя).

Для улучшения перемешивания топливного газа с воздухом и получения однородного состава горючей смеси по всему объему цилиндра топливный газ и воздух в смеситель 32 подают по касательной к образующей внутренней поверхности смесителя через каналы 38 и 39.

Экспериментально подобранная площадь поперечного сечения калиброванных отверстий 3-6, профилированных окон 7 и 8, сечений поршней-дозаторов 9 и 10, сечения клапана 24, а также жесткость пружин 11, 12 и 25 и давление газа на входе в смеситель обеспечивают равномерное перемешивание топливного газа с воздухом и оптимальный состав смеси на всех режимах работы двигателя, включая пуск, холостой ход, наброс и сброс нагрузки, что экономически выгодно для стационарных газовых двигателей.

Сочетание положительных сторон количественного и качественного регулирования состава смеси с помощью предлагаемого газовоздушного смесителя один из путей повышения экономичности работы газовых двигателей.

Использование предлагаемого газовоздушного смесителя для двигателя внутреннего сгорания обеспечивает по сравнению с прототипом следующие технико-экономические преимущества: наличие новых элементов дополнительного поршня дозатора с разжимной пружиной, регулирующего устройства в виде автоматического клапана с газовым каналом максимальной мощности и с регулировочной иглой, смесительной камеры с тангенциальными входными каналами и выходным торцовым соплом с размещенным в нем по оси завихрителем значительно повышает стабильность и устойчивость работы двигателя на всех режимах вследствие повышения точности поддержания оптимального состава горючей смеси; появляется возможность получить любую наперед заданную скоростную и нагрузочную характеристику, обеспечивающую максимальную экономичность двигателя на частичных нагрузках и максимальную мощность при заданной частоте вращения коленчатого вала; наличие регулирующего устройства и двух раздельных поршней-дозаторов, достигаемое данной конструкцией, обеспечивает получение любой требуемой характеристики по составу горючей смеси и его автоматическое поддержание на всех режимах работы двигателя, что устраняет потери тепла вследствие неполноты сгорания; в результате повышения устойчивости и стабильности работы двигателя на всех режимах расширяется область его применения, что увеличивает сферу применения газовоздушного смесителя и устраняет необходимость разработки ряда газовоздушных смесителей, имеющих узкое целевое назначение применительно к конкретным двигателям.

Кроме того, предлагаемый газовоздушный смеситель может быть применен и для других целей, например для смешивания различных газов при научно-исследовательских и опытно-экспериментальных работах.

Использование: машиностроение, а именно газовоздушные смесители для двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: газовоздушный смеситель для двигателя внутреннего сгорания содержит неподвижный корпус, размещенную в нем втулку с газопроходными каналами и воздушными отверстиями внутри которой установлен поршень-дозатор, выполненный составным в виде двух отдельных золотников, кинематически связанных между собой разжимной пружиной и подпружиненных возвратной пружиной. В золотниках выполнены две наружные кольцевые проточки, узкая и широкая. С наружной стороны корпуса по оси отверстия установлено регулирующее устройство, выполненное в виде цилиндрической втулки с крышкой и с размещенным в нем автоматическим клапаном, пружиной и регулировочным винтом. 2 ил.

ГАЗОВОЗДУШНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий неподвижный цилиндрический корпус, в стенке которого выполнены входной и выходной каналы подачи газа, входное и выходное отверстия подачи воздуха и каналы подачи воздуха и газа на холостом ходу с регулировочными винтами, поршень-дозатор, установленный в неподвижном цилиндрическом корпусе коаксиально с возможностью возвратно-поступательного движения относительно последнего и соединенный с ним возвратной пружиной, причем в теле поршня-дозатора выполнены профилированные окна, и смесительную камеру, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности путем поддержания оптимального состава газовоздушной смеси, он снабжен регулирующим устройством и каналом подачи газа максимальной мощности, выполненным в стенке корпуса и снабженным дросселирующей иглой, а регулирующее устройство выполнено в виде цилиндрической втулки с размещенным в ней автоматическим регулирующим клапаном, установленным в выходном канале подачи газа и снабженным пружиной с нажимным винтом, причем внутренняя полость цилиндрической втулки сообщена с каналом подачи газа на холостом ходу и с каналом подачи газа максимальной мощности, а поршень-дозатор выполнен составным из двух отдельных золотников газового и воздушного, кинематически связанных между собой разжимной пружиной, причем профилированные окна в поршне-дозаторе выполнены в виде кольцевых проточек в наружной поверхности каждого золотника, а ширина проточки в воздушном золотнике больше ширины проточки в газовом золотнике, причем в последнем выполнен осевой канал, сообщающий входной канал подачи газа с кольцевой проточкой через радиальные отверстия, входное и выходное отверстия, подачи воздуха в стенке корпуса выполнены в виде профилированных окон прямоугольной формы, а возвратная пружина, соединяющая поршень-дозатор с корпусом, снабжена регулировочным винтом, причем смесительная камера выполнена цилиндрической формы с входными каналами для воздуха и газа, расположенными тангенциально к ее стенке, и с выходным торцевым соплом, в котором коаксиально установлена вставка с наружной винтовой кромкой.