СПОСОБ ВПРЫСКА ТОПЛИВА Российский патент 1997 года по МПК F02M43/04 F02M65/00 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, может использоваться в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и в газотурбинных двигателях.

Известны способы впрыска топлива в камеру сгорания путем механического распыливания с использованием стройных форсунок.

Впрыск топлива в цилиндр дизеля с использованием цилиндрических сопел является наиболее распространенным в современном дизелестроении. Стремление равномерно распределить впрыскнутое топливо по объему камеры сгорания ведет к увеличению числа сопловых отверстий и повышает требования к геометрии камеры сгорания и топливных факелов. Однако, во-первых, за счет неполного соответствия формы камеры сгорания форме и направлению развития топливных факелов, в камере сгорания образуются "мертвые зоны" с пониженной концентрацией топлива. Во-вторых, неравномерная концентрация топлива по объему факела [1] увеличивает время диффузионного горения топлива и ухудшает экономические и экологические характеристики двигателя.

Известен также способ впрыска топлива путем соударения струи жидкости с жесткой стенкой [2] Образующаяся при этом жидкая пленка стекает со стенки, и происходит ее распад под действием температуры и движущегося воздуха. Недостатки такого способа впрыска выражаются в сложной организации процесса пуска двигателя, увеличении времени диффузионного горения, снижении экологических качеств двигателя.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ впрыска топлива методом соударения струй [2] в котором распыливание жидкости происходит за счет энергии соударения двух струй, направленных в общем случае под углом друг к другу. Факел топлива после соударения представляет собой тонкую пленку, которая распространяется и разрушается по поверхности близкой в поверхности полого конуса. Недостатками такого способа впрыска топлива является высокая неравномерность распределения топлива по камере сгорания, высокие требования к форме камеры сгорания, направлению и развитию топливного факела. Эти недостатки снижают экономические качества двигателя.

Настоящее изобретение направлено на улучшение качества распыливания топлива в камере сгорания двигателя.

Решение поставленной задачи достигается изменением геометрии топливного факела за период впрыска от 0^o до 180^o при вершине конуса факела, причем "раскрытие" и "схлопывание" конуса факела достигается изменением диаметра и (или) скорости истечения струй по заданной характеристике.

Сопоставительный анализ заявляемого решения и выбранного в качестве прототипа показывает, что предлагаемые мероприятия решают проблему ориентации струй сгорания. При этом, дизель становится менее чувствителен к уменьшению плотности заряда перед впускными органами и к вариациям надпоршневого зазора; равномерное распределение капель топлива по объему камеры сгорания дает максимальные скорости последующего диффузионного горения, улучшают пусковые качества дизеля, что способствует выбору оптимальной степени сжатия и повышает индикаторный КПД.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что геометрия топливного факела представляет собой полый конус, угол при вершине которого изменяется за время впрыска от 0^o до 180^o по заданной характеристике. Таким образом, отличия, связанные с изменением геометрии факела в период впрыска топлива, проявляющимся в "раскрытии" или "схлопывании" полого конуса факела, позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна". Признаки, отличающие заявляемое техническое решение, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена схема соударения двух струй имеющих скорости V₁ и V₂, радиусы r₁ и r₂ соответственно; на фиг. 2 изображена геометрия впрыска топлива, показаны предельные углы Δβ′+Δβ″ а также текущий угол β
При прямом кумулятивном столкновении двух струй, движущихся со скоростями V₁ и V₂, имеющих диаметры d₁ и d₂ соответственно, образуется тонкая пленка, в общем случае представляющая собой полый конус с вершиной в точке соударения. Частным случаем распространения факела может быть струя направленная вверх (d₁=0 или V₁=0) или вниз (d₂=0 или V₂=0), а также пленка, расходящаяся радиально из точки соударения (d₁=d₂ и V₁=V₂). Без учета вязкости жидкости, используя закон сохранения импульса, угол раскрытия топливной пленки можно представить простым выражением:

где λV₂/V₁.

Таким образом, угол раскрытия конуса b зависит от величин d₁, d₂, V₁, V₂. В соответствии с выражением для b можно подобрать такое изменение вышеуказанных величин в течении времени впрыска, что угол b будет изменяться в диапазоне 0^°<β<180^° Вследствие конструктивных особенностей β≠0^° и β≠180^° Оптимизируя изменение вышеуказанных параметров получим равномерное распределение топлива по объему камеры сгорания.

Впрыск топлива указанных способом приводит к равномерным концентрациям топлива и воздуха в объеме камеры сгорания, быстрому испарению капель топлива, увеличению скорости диффузионного горения, снижая время воздействия высоких температур на топливо и замедляя процесс его разложения, а также увеличению коэффициента полноты сгорания топлива. Выбором определенного закона изменения угла β при вершине конуса факела можно получать закон тепловыделения, соответствующий оптимальным параметрам рабочего процесса двигателя.

Использование заявляемого изобретения позволяет повысить экономические, экологические, мощностные и пусковые характеристики дизеля.

Использование: двигателестроение, в частности, может использоваться в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия и в газотурбинных двигателях. Сущность изобретения: способ заключается в том, что геометрия факела топлива изменяется за период впрыска от 0^o до 180^o при вершине конуса факела, обеспечивая равномерное распределение топлива по объему камеры сгорания, причем "раскрытия" и "схлопывание" конуса факела достигается изменением диаметра и скорости истечения струй по заданной характеристике. 2 ил.

Способ впрыска топлива в цилиндр дизельного двигателя методом соударяющихся струй, отличающийся тем, что геометрия факела изменяется за период впрыска от 0 до 180^o при вершине конуса факела, обеспечивая равномерное распределение топлива по объему камеры сгорания, причем "раскрытие" и "схлопывание" конуса факела достигается изменением диаметра и скорости истечения струй по заданной характеристике.