УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ Российский патент 1997 года по МПК F02M23/12 F02M31/06 

Изобретение относится к автомобилестроению и может быть использовано для дополнительной обработки топливовоздушной смеси с целью снижения токсичности выхлопных газов автомобиля и уменьшения расхода топлива как в уже выпускаемых моделях, так и во вновь разрабатываемых.

Известно устройство для дополнительной обработки топливовоздушной смеси, содержащее кольцевую, смесительную камеру с жиклерами (воздушными каналами) и отклонителями в виде ребер, установленных в полости камеры (патент Великобритании N 1247636, кл. F 02 M 23/12, 1969). Воздух поступает через жиклеры в полость смесительной камеры, интенсифицируя процесс образования смеси.

Однако известное устройство недостаточно эффективно. Так, ребра вносят дополнительное аэродинамическое сопротивление, а в холодное время года и на непрогретом двигателе на ребрах, и на стенках камеры конденсируется топливо. Кроме того, количество подаваемого воздуха в известном устройстве определяется суммарной площадью жиклеров и, таким образом, является фиксированным. Это не позволяет оптимизировать состав горючей смеси в зависимости от режима работы двигателя.

По существу тот же недостаток присущ устройствам с щелевыми элементами в полости смесительных камер: щелевые элементы имеют высокое аэродинамическое сопротивление, не позволяют управлять количеством подводимого воздуха и в ряде случаев образуют дополнительные поверхности конденсации (заявка PCT N 86/01258, кл. F 02 M 29/08, 1985).

В связи с этим для снижения токсичности выхлопа широкое распространение получили катализаторы. Например, известно устройство для дополнительной обработки топливовоздушной смеси, содержащее воздушный фильтр, компрессор, блок управления, два вентиля, датчик расхода, катализатор и смесительную камеру (патент Франции N 2670837, кл. F 02 M 69/30, 1992). В этом устройстве компрессор создает давление вторичного воздуха, который сразу после запуска двигателя поступает через первый вентиль в смесительную камеру, улучшая смесеобразование, а через 3 5 с через второй вентиль подается в катализатор.

Таким образом, данное устройство сочетает преимущества механических и химических средств снижения токсичности выхлопа, однако его существенными недостатками являются высокая стоимость и сложность, а также связанная с этим недостаточная надежность.

Известно устройство для обработки топливовоздушной смеси, содержащее смесительную камеру с кольцевым каналом, наклонными жиклерами и ребрами и механический регулятор подачи воздуха с воздушным фильтром и воздухозаборным патрубком, обеспечивающий управление расходом вторичного воздуха в зависимости от скорости автомобиля (патент США N 4345574, кл. F 02 M 23/12, 1982).

Это устройство также является недостаточно эффективным, особенно в холодное время года и на непрогретом двигателе, поскольку на ребрах и стенках камеры конденсируется топливо, что приводит к дополнительному обеднению смеси. Кроме того, ребра имеют значительное аэродинамическое сопротивление, а наклонные жиклеры не позволяют перекрыть объем обработки смеси в камере. Недостаточная эффективность данного устройства обусловлена и тем, что жиклеры в нем частично сохранили функции ограничительной подачи воздуха, что не позволяет в полной мере оптимизировать режим и направление подачи воздуха.

Наиболее близким к предложенному является устройство обработки топливовоздушной смеси, содержащее воздухозаборный патрубок, регулятор подачи воздуха, выход которого подключен к входу смесительной камеры, выполненной с кольцевым каналом и жиклерами, и нагреватель воздуха. Воздухозаборный патрубок установлен на входе нагревателя воздуха, выход которого соединен с входом регулятора подачи воздуха, который выполнен в виде регулятора-ограничителя (N 1343075, кл. F 02 M 23/12, 1987).

К недостаткам данного устройства следует отнести невысокую надежность и низкую эффективность. Первый из перечисленных недостатков обусловлен тем, что случайное изменение положения регулирующего органа регулятора-ограничителя может привести к полному перекрытию канала поступления воздуха. Недостаточная же эффективность устройства обусловлена тем, что жиклеры не перекрывают весь объем обработки смеси в камере. Кроме того, изменение этого объема при изменении подачи воздуха через регулятор-ограничитель носит существенно нелинейный характер, особенно в области малых подач. В результате выполнение регулятора-ограничителя оказывается тесно связанным с формой жиклеров и их относительным сечением, определяющим выполняемую ими функцию.

Таким образом, результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение надежности устройства и эффективности обработки топливовоздушной смеси при сохранении простоты и низкой стоимости устройства.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для обработки топливовоздушной смеси, содержащем воздухозаборный патрубок, установленный на входе нагревателя воздуха, выход которого соединен с входом регулятора-ограничителя, выход которого подключен к входу смесительной камеры, выполненной с кольцевым каналом и жиклерами, регулятор-ограничитель выполнен с байпасом, а жиклеры смесительной камеры выполнены коническими, причем большие основания конуса обращены во внутреннюю полость смесительной камеры.

При этом нагреватель воздуха может быть выполнен в виде змеевика из плоской медной трубки, размещенной на приемной трубе системы выпуска газов автомобиля.

Кроме того, нагреватель воздуха может быть снабжен электронагревателем воздуха.

При этом отношение проходного сечения байпаса к максимальному проходному сечению основного канала регулятора-ограничителя лежит в диапазоне 0,15 - 0,25.

Рекомендуется также, чтобы отношение номинального прохождения сечения регулятора-ограничителя к суммарному проходному сечению жиклеров смесительной камеры лежало в диапазоне 3,5 6,4.

Целесообразно, чтобы отношение номинального проходного сечения регулятора-ограничителя к номинальному проходному сечению карбюратора автомобиля составляло 0,09 0,18.

Кроме того, устройство может быть снабжено пороговым блоком, вход которого подключен к датчику температуры, а регулятор-ограничитель воздуха может быть выполнен с входным клапаном, управляющий вход которого соединен с выходом порогового блока.

При этом второй выход порогового блока может быть подключен к управляющему входу электронагревателя воздуха.

Рекомендуется также снабдить устройство воздушным фильтром, установленным между нагревателем воздуха и воздухозаборным патрубком.

Кроме того, отношение расстояния между большими основаниями смежных конусов жиклеров к их диаметрам может лежать в диапазоне 0,94 1,14. При этом угол раствора конуса составляет 75 98^o.

И, наконец, число, расположение и размеры жиклеров выбирают из условия полного перекрытия воздушными потоками сечения смесительной камеры.

На фиг.1 схематично изображен наиболее предпочтительный вариант реализации предлагаемого устройства; на фиг.2 теплообменник; на фиг.3, 4 - варианты выполнения смесительной камеры; на фиг.5 корпус смесительной камеры для двухкамерного карбюратора.

Устройство содержит (фиг. 1 5) смесительную камеру 1, установленную в корпусе 2. Как показано на фиг.1, кольцо камеры 1 запрессовано в корпусе 2.

Камера 1 выполнена с кольцевым каналом 3, который патрубками 4 и 5 соединен с регулятором-ограничителем 6 подачи воздуха. Регулятор 6 содержит основной канал 7, сечение которого может изменяться, и нерегулируемый байпас 8. В канале 7 установлены регулировочный винт 9 и электромагнитный клапан 10, а в байпасе 8, жиклер 11. Жиклер 11 и винт 9 могут быть установлены в тройнике 12. Воздухозаборный патрубок 13 через воздушный фильтр 14 соединен с теплообменником 15 и электронагревателем 16. Выход датчика 17 температуры подключен к входу порогового блока 18, выходы которого соединены с управляющими входами клапана 10 и электронагревателя 16. Корпус 2 устанавливается между выходным патрубком карбюратора 19 с дроссельной заслонкой 30 и входным патрубком (впускным коллектором) 21 двигателя. Внутренняя полость камеры 1 сообщается с полостью канала 3 через жиклеры 22.

Канал (каналы) 3 может соединяться с патрубком 4 каналом 23, выполненным в корпусе 2 (фиг.5).

Теплообменник (фиг. 2) может быть выполнен в виде змеевика 24, расположенного на приемных трубах 25 системы выпуска газов.

Стрелками на фиг.1 показано направление движения воздуха.

Электронагреватель 16 выполнен с кнопкой включения, выведенной на панель приборов автомобиля, или включается автоматически при повороте ключа в замке зажигания. Отключение электронагревателя 16 производится по команде блока 18, который может быть выполнен в виде двух компараторов, на первые входы которых подается сигнал с датчика 17 (то может быть штатный датчик температуры охлаждающей жидкости или специальный датчик температуры охлаждающей жидкости или воздуха), на вторые напряжения от соответствующих источников опорного напряжения или с делителя напряжения, а выходы которых образуют выходы блока 18. При этом на приборной панели автомобиля может быть установлен индикатор, подключенный к соответствующему выходу блока 18, и сигнализирующий водителю об отключении электронагревателя 16, после чего водитель может запускать двигатель.

Под проходным сечением, упомянутым выше, следует понимать минимальное сечение, ограничивающее прохождение воздуха. Отношение проходных сечений может, таким образом, быть заменено обратным отношением аэродинамических сопротивлений. Номинальным сечением регулятора 6 выше названо суммарное сечение жиклера 11 и канала, образованного винтом 9 и стенкой канала 7 в рабочем режиме. Как правило, номинальное сечение регулятора 6 составляет 1,5 - 2,7 от сечения жиклера 11, т.е. проходного сечения байпаса 8. Номинальное сечение регулятора является оптимальным с точки зрения токсичности выхлопа и потребления горючего и может быть определено экспериментально для каждой марки автомобиля. Хорошей оценкой является величина 1,62, т.е. сечение канала 7 относится к сечению байпаса 8 как 0,62.

Выполнение регулятора 6 в виде регулятора-ограничителя означает, что в рабочем режиме суммарное сечение каналов регулятора 6 меньше суммарного сечения жиклеров 22 или трубок 24, т.е. регулировка подачи воздуха осуществляется не изменением его давления, а изменением проходного сечения регулятора 6, ограничивающего поступление воздуха в камеру 1.

Таким образом, существенными особенностями предлагаемого устройства являются наличие нагревателя (элементы 15, 16) и выполнение регулятора 6 в виде регулятора-ограничителя подачи воздуха, что позволяет снять ограничения, накладываемые в известных устройствах на форму и суммарное сечение жиклеров 22 камеры 1. Следует учесть также, что только совместное использование этих отличий обеспечивает достижение вышеуказанного результата.

Нагреватель может в частном случае быть выполнен в виде только теплообменника 15 или только электронагревателя 16, управляемого или неуправляемого.

Регулятор 6 может не содержать байпаса 8, а вместо электромагнитного клапана 10 и винта 9 можно воспользоваться регулируемым вентилем, управление которым осуществляется вручную или автоматически (средства такого управления широко известны).

Как отмечалось, устройство может быть снабжено отдельным воздушным фильтром, однако использование штатного фильтра двигателя предпочтительнее, поскольку он имеет большую площадь и не засоряется достаточно долго.

В случае встречного расположения соседних конических жиклеров 22 снижение токсичности выхлопа достигается в основном за счет интенсивного диспергирования капель горючего, а при одинаковом расположении жиклеров 22 превалирует процесс испарения.

Границы перечисленных выше диапазонов и пределов определены экспериментально. В этих границах эффективность устройства максимальна, а вне указанного диапазона она падает на 10 20% хотя ожидаемый результат достигается и вне упомянутых пределов.

Устройство работает следующим образом.

Дополнительная обработка топливовоздушной смеси осуществляется в камере 1, установленной между карбюратором и впускным коллектором двигателя автомобиля, струями нагретого воздуха, который подается через жиклеры 22. Поскольку количество воздуха определяется не суммарной площадью жиклеров 22, а суммарным положением винта 9, число жиклеров 22 может быть велико, например, равно 16, а их диаграммы направленности (созданные ими воздушные потоки) полностью перекрывают сечение (полость) камеры 1.

Количество дополнительно подаваемого воздуха зависит от режима работы двигателя. Обычно при запуске холодного двигателя в его цилиндры попадает лишь 10% топлива в виде паров. Остальное топливо образует пленку на стенках патрубка 21 и стекает в цилиндры. Происходит переобогащение смеси, что затрудняет пуск, увеличивается токсичность продуктов сгорания, усиливается образование нагара, происходит ускоренный износ двигателя. Чтобы избежать этого, в полость камеры 1 подают горячий воздух, прошедший электронагреватель 16. При этом клапан 10 закрыт, что позволяет избежать излишнего обеднения смеси, и воздух в камеру 1 (канал 3) подается через жиклер 11 байпаса 8.

Механическое и термическое воздействие струй горячего воздуха на капли топлива в камере 1 приводят к их диспергированию и испарению, что облегчает пуск двигателя. При запуске двигателя в холодное время следует выждать 30 50 с после включения зажигания и лишь затем включать стартер, позволив электронагревателю 16 прогреть воздух, поступающий в камеру 1.

После прогрева двигателя, которое фиксируется блоком 18 по сигналу датчика 1, клапан 10 открывается, а электронагреватель 16 отключается. При этом нагрев воздуха до температуры 180^o происходит в теплообменнике 15. Разогрев топливовоздушной смеси горячим воздухом на последней стадии, непосредственно перед подачей во впускной коллектор двигателя, позволяет избежать снижения давления насыщенных паров ниже нормы, исключить образование паровых пробок и явление "перколяции", снизить расход топлива. Количество воздуха устанавливается винтом 9.

Проведенные исследования и испытания показали, что предлагаемое устройство позволяет:
снизить токсичность на холостом ходу в 10 раз (даже при содержании CO 4 об. без предлагаемого устройства);
снизить токсичность на оборотах максимального крутящего момента на 40%
снизить расход топлива на оборотах максимального крутящего момента на 12,5%
повысить "приемистость" автомобиля.

Использование: для дополнительной обработки топливовоздушной смеси с целью снижения токсичности выхлопных газов автомобиля и уменьшения расхода топлива. Сущность изобретения: устройство содержит воздухозаборный патрубок и регулятор подачи воздуха, выход которого подключен к входу смесительной камеры, выполненной с кольцевым каналом и жиклерами. Устройство снабжено также нагревателем воздуха, при этом воздухозаборный патрубок установлен на входе нагревателя воздуха, выход которого соединен с входом регулятора подачи воздуха, который выполнен в виде теплообменника, расположенного на приемной трубе системы выпуска газов автомобиля. 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для обработки топливовоздушной смеси, содержащее воздухозаборный патрубок, установленный на входе нагревателя воздуха, выход которого соединен с входом регулятора-ограничителя, выход которого подключен к входу смесительной камеры, выполненной с кольцевым каналом и жиклерами, отличающееся тем, что регулятор-ограничитель выполнен с байпасом, а жиклеры смесительной камеры выполнены коническими, причем большие основания конуса обращены во внутреннюю полость смесительной камеры. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что нагреватель воздуха выполнен в виде змеевика из плоской медной трубки, размещенного на приемной трубе системы выпуска газов автомобиля. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что нагреватель воздуха снабжен электронагревателем воздуха. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение проходного сечения байпаса к максимальному проходному сечению основного канала регулятора-ограничителя лежит в диапазоне 0,15 0,25. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение номинального проходного сечения регулятора-ограничителя к суммарному проходному сечению жиклеров смесительной камеры лежит в диапазоне 3,5 6,4. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение номинального проходного сечения регулятора-ограничителя к номинальному проходному сечению карбюратора автомобиля составляет 0,09 0,18. 7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено пороговым блоком, вход которого подключен к датчику температуры, а регулятор-ограничитель воздуха выполнен с входным клапаном, управляющий вход которого соединен с выходом порогового блока. 8. Устройство по пп. 7 и 3, отличающееся тем, что второй выход порогового блока подключен к управляющему входу электронагревателя воздуха. 9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено воздушным фильтром, установленным между нагревателем воздуха и воздухозаборным патрубком. 10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение расстояния между большими основаниями смежных конусов жиклеров к их диаметрам лежит в диапазоне 0,94 1,14. 11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что угол раствора конуса жиклера составляет 75 98^o. 12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что число, расположение и размеры жиклеров выбирают из условия полного перекрытия воздушными потоками сечения смесительной камеры.