СОПЛО ДЛЯ ПОДАЧИ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ Российский патент 2001 года по МПК B05B1/26 F02M61/18 F15D1/08 

Изобретение относится к соплу для подачи газожидкостной смеси, например, во впускную трубку или в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания. Сопло может служить частью форсунки двигателя, в особенности в тех случаях, когда форсунка создает смесь, в которой туман из мелких капель топлива захватывается струей воздуха перед тем, как поступить в камеру сгорания.

Хотя настоящее изобретение будет описано на примерах предпочтительного использования форсунок для двигателей внутреннего сгорания, следует отметить, что изобретение может применяться в любых условиях, где смесь капель жидкости и газа должна подаваться таким образом, чтобы уменьшить сцепление жидкостной пленки с выходом сопел как в системах непрерывной, так и в системах прерывающейся подачи.

Известно создание газожидкостной смеси путем подачи целостного плоского потока жидкости в струю газа, продуваемого через канал, причем газ отрывает от плоского потока жидкости капли жидкости. Обнаружено, что такая газожидкостная смесь содержит капли жидкости с гораздо меньшими средними размерами, чем у капель, полученных путем подачи жидкости под давлением через ограниченное по размерам сопло с образованием распыленной струи, что является типичным для работы форсунок у многих механизированных транспортных средств. Устройство для смешивания жидкости и газа, которое основано на принципе отсечения капель жидкости от плоского потока жидкости, описано в патенте AU-A-51454/93.

Благодаря очень мелким размерам капель жидкости газожидкостная смесь, полученная путем отсечения капель жидкости от плоского потока жидкости с помощью газовой струи, может подаваться вдоль канала той его части, которая располагается за точкой отсечения жидкости от плоского потока, с последующим выбросом через сопло.

Обнаружено, что если сопло имеет простую непрерывную зону расширения, ведущую к его выходу, то при подаче через него газожидкостных смесей возникает тенденция к прилипанию и накоплению жидкости на внутренней поверхности зоны расширения, таковая жидкость выталкивается вдоль канала и из выпускного отверстия в виде капель, относительно крупных по сравнению с мелким туманом, захваченным струей газа, поступающей в сопло.

Было бы желательно исключить или, по меньшей мере, свести к минимуму такое прилипание, накопление и выдачу капель жидкости из выпускного отверстия сопла.

Попытка решить указанную проблему была предпринята в решении JP 7-12030 A, 17.01.1995, которое является ближайшим аналогом заявленных изобретений. В известном решении конструкция для подачи газожидкостной смеси содержит сопло, имеющее корпус с ведущим к выходному отверстию сквозным каналом, зону расширения, прилегающую к выпускному отверстию, и одну неоднородность в зоне расширения, выполненную в форме простирающегося в радиальном направлении ступенчатого расширения, при этом сопло имеет адаптер для смешивания топлива с воздухом.

Настоящее изобретение обеспечивает конструкцию для подачи газожидкостной смеси, состоящую из множества сопел, каждое из которых содержит корпус с ведущим к выходному отверстию сквозным каналом; зону расширения, прилегающую к выпускному отверстию, и, по меньшей мере, одну неоднородность в зоне расширения, выполненную в форме простирающегося в радиальном направлении ступенчатого расширения, образованного цилиндрической частью с параллельными сторонами, простирающейся в направлении выпускного отверстия. При этом указанная неоднородность приспособлена для уменьшения сцепления жидкостной пленки на выходном отверстии, а сопла аксиально выровнены и разделены зонами стимулирования газа и/или жидкости.

Предпочтительно, каждая неоднородность по существу представляет собой расширение по окружности.

Предпочтительно сквозной канал содержит также ограничительную зону или зону сжатия, находящуюся на определенном расстоянии выше зоны расширения. Ограничительная зона или зона сжатия предпочтительно представляет собой плавно сходящуюся часть канала, ведущую к горловине, находящейся между ограничительной зоной и зоной расширения. Предпочтительно сквозной канал имеет круглое поперечное сечение. Выпускное отверстие системы сопел окружено простирающимся далее по направлению потока кожухом, который содержит зоны стимулирования для газов и/или жидкостей, добавляемых в газожидкостную смесь за выпускным отверстием.

Способ подачи газожидкостной смеси включает в себя добавление жидкости в струю газа таким образом, что жидкость по существу распыляется; подачу полученной таким образом газожидкостной смеси через зону ограничения потока в расширительную зону; расширение смеси в зоне расширения через, по меньшей мере, одну расширяющуюся неоднородность; добавление стимулированных жидкости и/или газа после зоны расширения перед пропуском смеси через, по меньшей мере, одну следующую зону расширения, имеющую по меньшей мере одну дополнительную расширяющуюся неоднородность перед подачей смеси в выпускное отверстие, а кроме того, добавление стимулированных газа и/или жидкости в смесь за выпускным отверстием.

Каждое ступенчатое увеличение диаметра зоны расширения предпочтительно имеет форму круговой кромки, имеющей первый диаметр, простирающуюся в радиальном направлении наружу поверхность, в общем перпендикулярную центральной оси канала, и простирающуюся в осевом направлении цилиндрическую поверхность, имеющую второй диаметр, который на определенную заранее величину больше первого диаметра, и ведущую к следующему ступенчатому соседнему расширению или выпускному отверстию.

В одном конкретном варианте реализации промежуточная горловина имеет диаметр около 4 мм, аксиальная цилиндрическая поверхность первого ступенчатого расширения имеет диаметр около 5 мм, и аксиальные цилиндрические поверхности второго и третьего ступенчатых расширений имеют диаметры около 6 мм и 7 мм соответственно. Ограничительная зона предпочтительно сходится на отрезке длиной около 5 мм от диаметра, равного примерно 10 мм до диаметра 4 мм в горловине. Далее участок горловины предпочтительно простирается на отрезке длиной около 13 мм, цилиндрические поверхности первого и второго ступенчатых расширений простираются в аксиальном направлении приблизительно на 3 мм, а цилиндрическая поверхность третьего ступенчатого расширения простирается в аксиальном направлении приблизительно на 4 мм.

В предложенной конструкции, образованной множеством аксиально выровненных сопел, выходное отверстие одного сопла приспособлено для подачи газожидкостной смеси в смесительное сопло, соседние сопла разделяются зоной стимулирования газа и/или жидкости, так что стимулированный газ и/или жидкость готов к смешиванию с газожидкостной смесью во время ее прохождения из выпускного отверстия одного сопла во впускное отверстие следующего соседнего аксиально выровненного сопла.

Количество сопел, разделенных зонами стимулирования, можно по желанию варьировать.

При использовании с вариантами реализации, соответствующими описанию в AU-A-51454/93, было обнаружено, что в условиях двигателей внутреннего сгорания для распыления жидкого топлива до частиц нужного размера требуется минимальное количество сжатого воздуха. В одном прототипе это количество оказалось равным менее чем 1% от стехиометрического количества воздуха под давлением 100 фунт/кв.дюйм (689,5 кПа). Этот сжатый воздух продувают через форсунку для того, чтобы срывать капли с имеющего коническую форму потока топлива, после чего полученная в результате топливовоздушная смесь выходит через подающее сопло согласно варианту реализации настоящего изобретения.

Добавление заранее воздуха в количестве, соответствующем минимальному необходимому количеству воздуха (в сочетании с первичным воздухом, производящим срывающее воздействие на топливо в теле форсунки) облегчает приготовление высококачественной смеси для качественного горения. Количество предварительно подмешанного воздуха, включая измельчающий воздух, обычно составляет приблизительно 5% от общего количества, необходимого для получения стехиометрической смеси.

С дальнейшим добавлением воздуха испарения (третичного воздуха) существует возможность испарения топлива и получения дополнительной смеси для улучшения горения. Под использованием воздуха испарения понимается минимальное количество воздуха, необходимого (при объединении с первичным и вторичным воздухом) для испарения топлива и получения дополнительной смеси для улучшения горения. Такой третичный воздух может быть стимулирован для поступления в топливовоздушную смесь с помощью еще одной новой ступени или через радиально расположенные отверстия воздухозаборника на кожухе, расположенном за выпускным отверстием второй ступени сопла. Конечно, как указано выше, количество ступеней сопла при желании может варьироваться.

Было обнаружено, что одиночное или групповое размещение сопел, являющихся предметом настоящего изобретения, не только позволяет уменьшить сцепление топливной пленки, но и обеспечивает также хорошее смешивание, уменьшает скорость и расширяет состав топливовоздушной смеси, допуская поступление в смесь дополнительного воздуха.

На входе трубопровода двигателя внутреннего сгорания может быть установлено сопло для вторичного воздуха или для подачи других видов топлива, или топлива и воздуха вместе
При использовании в условиях герметичной форсунки, форма которой описана в патенте AU-A-51454/93, эффективность сопла, являющегося предметом настоящего изобретения, не зависит от отрицательного давления, генерируемого двигателем, что может быть справедливо, например, для форсунок с наддувом воздуха.

Краткое описание чертежей
Далее в качестве примера будут описаны предпочтительные формы реализации настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 показано схематическое продольное изображение в разрезе варианта реализации сопла согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 показано схематическое продольное изображение сопла с фиг. 1 и часть известного устройства для смешивания жидкости и газа;
на фиг. 3 показано детальное схематическое изображение части сопла с фиг. 1, на котором показаны поток газожидкостной смеси и воздействие газового потока на жидкость, приставшую к поверхности зоны расширения;
на фиг. 4 показана в разрезе общая схема варианта реализации форсунки, установленной на варианте реализации настоящего изобретения в форме двухступенчатого сопла;
на фиг. 5 показано увеличенное изображение части форсунки с фиг. 4;
на фиг. 6 схематически изображена система сопла и форсунки с фиг. 4, конфигурированная таким образом, чтобы обеспечить непосредственное впрыскивание во впускную трубку двигателя внутреннего сгорания;
на фиг. 7 показано изображение в разрезе системы форсунки с соплом с фиг. 4, установленной на впускной трубке; и
на фиг. 8 показано изображение, сходное с фиг. 7, но показывающее механизм форсунки с соплом, установленный на впускной трубке иным образом, чем на фиг. 7.

Наилучший вариант
На чертежах показано удлиненное сопло 10 с идущим по его продольной оси сквозным каналом 11, ограничительной зоной или зоной сжатия 12 на впускном конце 13 и зоной расширения 14 возле выпускного отверстия 15. Зона расширения 14 имеет форму последовательности из трех ступенчатых расширений 16, каждое из которых очерчивает круговую неоднородность, расположенную вдоль канала 11. Каждое ступенчатое расширение 16 имеет круговую кромку 17, простирающуюся в радиальном направлении наружу поверхность 18, в общем перпендикулярную центральной оси сопла 10, и простирающуюся в осевом направлении цилиндрическую поверхность 19, имеющую диаметр, который на определенную заранее величину больше диаметра, связанного с кромкой 17.

Ограничительная зона 12 имеет коническую поверхность 20, которая сходится до диаметра горловины 21, находящейся между ограничительной зоной 12 и зоной расширения 13.

На фиг. 2 показано сопло 10, установленное в детали 30 устройства для смешивания жидкости и газа, описанного в целом в патенте AU-A-51454/93. Смесительное устройство включает в себя жидкостной клапан 31, который с перерывами пропускает в кольцевой канал 32 радиально или конически выступающий в наружном направлении плоский поток жидкости. Смесительное устройство содержит газовый клапан (не показан), который подает струю газа через канал 32, начиная, по меньшей мере, с момента перед тем, как откроется жидкостной клапан 31 и, по меньшей мере, до момента, непосредственно следующего за закрытием жидкостного клапана 31. Струя газа, проходящего через канал 32, открывает частицы жидкости от плоского потока жидкости, образуя туман из мелких частиц жидкости, захваченных струей газа.

Газожидкостная смесь проходит через канал 32 смесительного устройства 30. Канал 32 сообщается с каналом 11 сопла 10, расположенным ниже точки, в которой частицы жидкости отрываются от плоского потока жидкости. Сопло 10 ограничивает выпускное отверстие смесительного устройства 30 для подачи газожидкостной смеси, которая может быть топливовоздушной смесью, в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания (не показан).

В процессе использования газожидкостная смесь поступает в сопло 10 и сжимается в ограничительной зоне 12 перед тем, как попасть в промежуточную горловину 21. Это способствует ускорению струи газа и частиц жидкости. Когда струя достигает зоны расширения 13, газожидкостная смесь расширяется по мере прохождения ею каждой из кромок 17, после чего выдается через выпускное отверстие 15.

Полагают, что когда капли жидкости, приставшие к каналу, достигают первой кромки 17, воздействие струи газа, проходящей над неоднородностью, вызывает отрыв накопленной жидкости от поверхности в форме относительно мелких частиц, т.е. частиц, размеры которых гораздо меньше чем в том случае, когда накопленная жидкость отрывается от зоны расширения сопла без таких неоднородностей.

Конкретнее, неоднородности, ограниченные ступенчатыми расширениями 16, заставляют струю газа (с захваченными каплями жидкости) протекать и расширяться в радиальном направлении наружу и вокруг кромок 17, создавая турбулентность рядом с выступающей в радиальном направлении поверхностью 18.

Согласно наблюдениям, сопло 10 в варианте реализации, показанном на фиг. 1-3, удаляет приставшую жидкость из зоны расширения до того, как она будет подана через выпускное отверстие 15 в форме нежелательно крупных капель жидкости, которые обычно не могут эффективно сгорать при нормальном цикле сгорания. Это преимущество обеспечивается как в случае, когда жидкостный клапан 31 и газовый клапан (не показан) смесительного устройства 30 открываются и закрываются с перерывами для получения порционных выбросов газожидкостной смеси, так и в случае, когда они остаются открытыми для подачи непрерывного потока газожидкостной смеси.

На общем изображении конструкции варианта реализации с фиг. 4 показано сочетание форсунки и сопла 40, состоящее из форсунки 41 с соленоидным приводом и двухступенчатого сопла 42.

Форсунка 41 содержит крышку 42 соленоида, в которой помещены гильза соленоида и фиксатор челнока 44.

Управляющая игла 45 соленоида помещена в направляющем канале 46, расположенном в корпусе форсунки 47. Седло иглы 48 вставлено между иглой 45 и распылительным соплом 49, направляющим газожидкостную смесь в сопла 50 для подмешивания воздуха. Между распылительным соплом 49 и соплом для подмешивания воздуха 50 располагается множество простирающихся в радиальном направлении каналов 51, в то время как по окружности кожуха 52 располагается множество каналов стимулирования третичного воздуха 53, находящихся ниже выходного отверстия сопла 50 для подмешивания воздуха.

В варианте реализации по фиг. 4 обнаружено, что подачи на воздухозабор 54 порядка 1% от стехиометрического количества газа под давлением 100 фунт/кв. дюйм (689,5 кПа) оказалось достаточно для отрыва капель топлива от конической струи топлива, поступающей через впускное отверстие для топлива.

Для того чтобы лучше понять функционирование воздушного потока и движение иглы, следует обратиться к фиг. 5, на которой показан круговой зазор 56 между иглой 45 и каналом в корпусе 41 форсунки, предназначенный для пропуска газа под высоким давлением мимо конической струи жидкости, образующейся при отходе иглы 45 от седла 48. После отрыва жидкости от конической струи она проходит затем по каналу 56 через множество размещенных по окружности каналов 57, поступая в распылительное сопло 49, затем через зону стимулирования вторичного воздуха, образованную каналами 51, перед тем как поступить в сопло 50 для подмешивания воздуха.

На фиг. 6 показана система из форсунки и сопла с фиг. 4, установленная выше впускного отверстия трубы Вентури 60.

Другой возможный вариант установки показан на фиг. 7, на котором вариант реализации с фиг. 4 установлен на впускную трубку для воздуха 70 с естественным всасыванием или наддувом, с каналом 71 для продувки воздуха, подающим во впускную трубку воздух для подвода вторичного воздуха между соплами 49 и 50.

На фиг. 8 показан еще один вариант установки на впускную трубку для воздуха 80 с естественным всасыванием или наддувом, в котором корпус форсунки 41 установлен на трубку 80 таким образом, что воздух из трубки поступает в каналы 51 непосредственно, а не по обводящему каналу, как показано на фиг. 7.

В то время как сопла в описанных вариантах реализации описаны в связи со смесительными устройствами, можно предположить, что каждое сопло может быть использовано отдельно или в многоступенчатой системе в любой сфере применения, в которой согласно критерию соответствующей конструкции предусмотрена подача газожидкостной смеси.

Специалистам в данной области техники должна быть очевидна возможность внесения в изобретение, описанное на конкретных вариантах реализации, многочисленных вариантов и/или модификаций без отступления от существа или объема изобретения в широком смысле. Приведенные варианты реализации должны поэтому рассматриваться во всех отношениях в иллюстративном и не ограничительном смысле.

Конструкция может быть использована для подачи газожидкостной смеси во впускную трубку или в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, а также может служить частью форсунки двигателя. Конструкция состоит из множества сопел, каждое из которых содержит корпус с ведущим к выходному отверстию сквозным каналом, зону расширения, прилегающую к выпускному отверстию, и, по меньшей мере, одну неоднородность в зоне расширения, выполненную в форме простирающегося в радиальном направлении ступенчатого расширения. Расширение образовано цилиндрической частью с параллельными сторонами, простирающейся в направлении выпускного отверстия. Сопла аксиально выровнены и разделены зонами стимулирования газа и/или жидкости. Указанная неоднородность приспособлена для уменьшения сцепления жидкостной пленки на выходном отверстии сопел как в системах непрерывной, так и в системах прерывающейся подачи. Предложенная конструкция обеспечивает также хорошее смешивание, уменьшает скорость и расширяет состав топливовоздушной смеси, допуская поступление в смесь дополнительного воздуха. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Конструкция для подачи газожидкостной смеси, состоящая из множества сопел, каждое из которых содержит корпус с ведущим к выходному отверстию сквозным каналом; зону расширения, прилегающую к выпускному отверстию, и, по меньшей мере, одну неоднородность в зоне расширения, выполненную в форме простирающегося в радиальном направлении ступенчатого расширения, образованного цилиндрической частью с параллельными сторонами, простирающейся в направлении выпускного отверстия, причем указанная неоднородность приспособлена для уменьшения сцепления жидкостной пленки на выходном отверстии, и в которой сопла аксиально выровнены и разделены зонами стимулирования газа и/или жидкости. 2. Конструкция по п.1, в которой, по меньшей мере, одна неоднородность представляет собой расширение, выполненное по окружности. 3. Конструкция по любому из предыдущих пунктов, в которой сквозной канал имеет ограничительную зону, расположенную выше зоны расширения. 4. Конструкция по п.3, в которой ограничительная зона является плавно сходящейся частью канала, ведущей к горловине, находящейся между ограничительной зоной и зоной расширения. 5. Конструкция по любому из предыдущих пунктов, в которой сквозной канал имеет, в общем, круглое поперечное сечение. 6. Конструкция по п. 1 или 2, в которой выпускное отверстие окружено простирающимся далее по направлению потока кожухом, и в которой указанный кожух содержит зоны стимулирования для газов и/или жидкостей, добавляемых в газожидкостную смесь за выпускным отверстием. 7. Способ подачи газожидкостной смеси, который включает в себя добавление жидкости в струю газа таким образом, что жидкость по существу распыляется; подачу полученной таким образом газожидкостной смеси через зону ограничения потока в расширительную зону; расширение смеси в зоне расширения через, по меньшей мере, одну расширяющуюся неоднородность; добавление стимулированных жидкости и/или газа после зоны расширения перед пропуском смеси через, по меньшей мере, одну следующую зону расширения, имеющую по меньшей мере, одну дополнительную расширяющуюся неоднородность перед подачей смеси в выпускное отверстие. 8. Способ по п. 7, включающий в себя добавление стимулированных газа и/или жидкости в смесь за выпускным отверстием.