ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК F23D5/06 

Изобретение относится к области энергетики, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности.

Известна "Испарительная форсунка отопителя автомобиля независимого от двигателя", заявка DE 19546130 A1, фирма Вебасто, Термосистема 000 [1], содержащая отопитель, корпус, воздухонагнетающее устройство, трубопровод для топлива, испарительную форсунку, камеру сгорания, нагнетатель горячего воздуха, устройство зажигания, датчик для контроля пламени, устройство защиты от перегрева, испарительный элемент.

Недостатком данного устройства является ненадежность запуска отопителя при низких температурах.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, выбранным в качестве прототипа, является горелочное устройство [2], содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, воздух в которое подается завихрителем, с внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура формирователь вихревых потоков, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени.

На боковой поверхности сопла подачи воздуха выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла подачи воздуха одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных радиальных отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий, формирователь вихревых потоков расположен между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, размещенной как на цилиндрической, так и на торцевой ограничительных стенках топочной камеры. Формирователь вихревых потоков газоплотно или с зазором прилегает нижним основанием к испарительной капиллярной структуре, размещенной на торцевой поверхности топочной камеры, а верхним - к стабилизатору пламени.

Рассмотренные выше устройства относятся к горелочным устройствам испарительного типа и широко используются при создании автономных автомобильных подогревателей, предназначенных для обеспечения запуска двигателя при низких температурах, вплоть до -40...-50^oС. Процесс розжига горелочного устройства осуществляемый, как правило, свечой накаливания, заключается в локальном разогреве участка испарительного элемента для получения паров топлива, которые смешиваются с воздухом и возгораются от раскаленной поверхности свечи. Очевидно, что чем больше теплоемкость испарительного элемента и находящихся с ним в тепловом контакте деталей отопителя, тем труднее произвести запуск отопителя при очень низких температурах. В результате существующие конструкции мощных отопителей характеризуются низкой надежностью запуска при температурах ниже -30^oС.

Другая причина недостаточной надежности существующих горелочных устройств испарительного типа - узкий динамический диапазон по теплопроизводительности. Вследствие этого, при сравнительно небольших отрицательных температурах (-1,0. ..-5^oС) для поддержания требуемой температуры двигателя во избежаниe перегрева циркулирующей в системе охлаждения жидкости необходимо через незначительный интервал времени выключать и затем вновь включать отопитель. Такой режим работы ведет к уменьшению общего ресурса отопителя, в частности, вследствие быстрого выхода из строя свечи накаливания и ускоренного накопления формирующихся на стадии запуска и выключения горелочного устройства сажистых вществ.

Эффективность работы горелочных устройств, используемых в составе отопителей, существенным образом зависит от надежности запуска при низких температурах и динамического диапазона по теплопроизводительности.

Для повышения надежности и динамического диапазона по теплопроизводительнсти предлагается наряду с основной камерой сгорания, вырабатывающей тепловую энергию большой мощности, ввести существенно меньшую по размерам дополнительную камеру сгорания, которая будет надежно запускаться при предельных температурах (от -45 до -50^oС) и при отключенном питании основной камеры сгорания позволит использовать отопитель в режиме малой теплопроизводительности.

Недостатком данного устройства является низкая надежность работы горелочного устройства и узкий динамический диапазон по теплопроизводительности.

Техническим результатом является повышение надежности и расширение динамического диапазона по теплопроизводительности.

Технический результат достигается тем, что в горелочном устройстве, содержащем топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, на боковой поверхности которого выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных щелевых отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, размещенной как на цилиндрической, так и на торцевой ограничительных стенках топочной камеры, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, центральное отверстие в торцевой ограничительной стенке камеры сгорания имеет диаметр больший, чем диаметр сопла подачи воздуха. Между торцевой ограничительной стенкой и завихрителем расположена дополнительная камера сгорания, на дне которой размещен дополнительный испарительный элемент, дополнительные штуцер, свеча зажигания и патрубок ввода топлива, причем дополнительная камера сгорания образована двумя соосными с соплом подачи воздуха цилиндрическими поверхностями, соединенными посредством плоского кольцевого дна, между цилиндрической поверхностью меньшего диаметра и соплом подачи воздуха выполнен зазор. Верхний срез цилиндра большего диаметра соединен с торцевой поверхностью камеры сгорания, а срез цилиндра меньшего диаметра газоплотно соединен по линии наружного диаметра с плоским кольцом, которое по линии внутреннего диаметра газоплотно соединено с наружной поверхностью сопла подачи воздуха, и имеет высоту меньшую, чем цилиндр большего диаметра, в обоих цилиндрических стенках дополнительной камеры сгорания выполнены симметрично расположенные отверстия.

На чертеже представлено предлагаемое устройство, содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру 1, с торцевой ограничительной стенкой 2, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха 3, с внутренней стороны цилиндрической ограничительной стенки расположена испарительная капиллярная структура 4, формирователь вихревых потоков 5, штуцер для установки свечи 6, жаровую трубу 7, стабилизатор пламени 8, завихритель 9, полость повышенного давления, формируемую воздухонагнетающим устройством 10, наружную стенку дополнительной камеры сгорания 11, внутреннюю стенку 12 дополнительной камеры сгорания, отверстия 13, выполненные в дополнительной камере сгорания, испарительный элемент 14 дополнительной камеры сгорания, патрубок 15 подвода топлива к дополнительной камере сгорания, патрубок 16 подвода топлива к основной камере сгорания, свечу 17 накаливания.

Важнейшим требованием к горелочным устройствам испарительного типа, используемым в конструкциях автомобильных предпусковых отопителей, является компактность, соответственно размеры горелочного устройства, содержащего дополнительную камеру сгорания, не должны существенно отличаться от существующих однокамерных. В предлагаемом устройстве эта цель достигается использованием одного воздухонагнетающего устройства на две камеры.

Общим источником воздуха для ввода в основную и дополнительную камеры сгорания является полость 1 с повышенным давлением, создаваемым воздухонагнетающим устройством. В основную камеру воздух попадает в виде высокоскоростных струй, формируемых на продольных щелях на боковой поверхности сопла подачи воздуха 2 из закрученного в завихрителе 3 воздушного потока.

В дополнительную камеру сгорания воздух поступает в виде струй из отверстий 6 малого диаметра на цилиндрических боковых поверхностях дополнительной камеры сгорания. При выбранных соотношениях толщины стенок дополнительной камеры и диаметра отверстий скорости воздушных струй, поступающих в дополнительную камеру сгорания, слабо зависят от давления в полости 1 и соответственно горение в дополнительной камере сгорания имеет устойчивый характер во всем диапазоне рабочих давлений в полости 1. Размеры дополнительной камеры сгорания и расположения отверстий на боковых стенках выбраны таким образом, чтобы совокупной энергии направленных встречно-воздушных струй было достаточно для интенсивного перемешивания и турбулизации потока горючей смеси для обеспечения эффективного горения.

Существенно меньшие размеры дополнительной камеры сгорания позволяют гарантированно осуществить разогрев испарительного элемента и последующий поджиг с помощью свечи накаливания 11.

Продукты сгорания через кольцевой зазор между торцевой стенкой основной камеры сгорания и сопла подачи воздуха поступают в основную камеру. По мере горения происходит интенсивный разогрев торцевой стенки и расположенного на ней испарительного элемента основной камеры и при подводе к нему через патрубок 9 подвода топлива к основной камере сгорания - интенсивное парообразование и поджиг горючей смеси в основной камере от пламени из дополнительной камеры сгорания.

Устройство работает следующим образом.

В момент запуска включается свеча накаливания, по истечении интервала времени, необходимого для полного разогрева свечи накаливания 11 (в зависимости от типа свечи необходимое время составляет 40...60 с), в испарительный элемент дополнительной камеры сгорания 7 через патрубок подвода топлива к дополнительной камере сгорания 8 подается порция топлива, одновременно с этим включается воздухонагнетательное устройство. После воспламенения горючей смеси происходит синхронное нарастание давления воздуха в полости и количества топлива, подаваемого в испарительный элемент основной камеры сгорания.

Далее через интервал времени в пределах 10...30 с, зависящий от мощности горелочного устройства и наружной температуры, посредством патрубка подвода топлива к основной камере сгорания 9 топливо подается в испарительный элемент основной камеры сгорания. Конкретный вид циклограммы, задающей моменты включения, отключения и объема подаваемого топлива и воздуха, определяется особенностями используемого горелочного устройства, применяемым топливом и предельными допустимыми значениями температуры охлаждающей жидкости.

При использовании горелочных устройств в составе отопителей при положительных и небольших отрицательных температурах топливо в основную камеру сгорания не подается, воздухонагнетающее устройство работает в режиме минимального нагнетания, достаточного для устойчивого горения в дополнительной камере сгорания. В этом случае горение в дополнительной камере сгорания обеспечивает минимальную теплопроизводительность и служит дежурным факелом для последующего поджига горючей смеси в основной камере сгорания.

При более значительных отрицательных температурах, когда теплопроизводительности, генерируемой дополнительной камерой сгорания, недостаточно, подается топливо в основную камеру сгорания с соответствующим увеличением мощности воздухонагнетающего устройства. Отключение горелочного устройства осуществляется в обратном порядке, сначала отключается основная камера сгорания, затем - дополнительная камера сгорания.

Отключение основной камеры сгорания осуществляется путем прекращения подачи в нее топлива. Через небольшой интервал времени, определяемый емкостью используемой капиллярной структуры испарительного элемента основной камеры сгорания (для горелочных устройств до 15 кВт этот интервал заключен в пределы 10...20 с), прекращается подача топлива в дополнительную камеру сгорания. После выгорания накопленного в испарительном элементе дополнительной камеры сгорания топлива пламя гаснет.

Источники информации
1. Вебасто, Термосистема ООО, патент DE 19546130 А1. "Испарительная форсунка".

2 Е.А. Кордит "Горелочное устройство" Патент РФ 2181462.

Изобретение относится к области энергетики, в частности горелочным устройствам, и может быть использовано в автомобильной промышленности. Эффективность работы горелочных устройств, используемых в составе отопителей, существенным образом зависит от надежности запуска при низких температурах и динамического диапазона по теплопроизводительности. Технический результат достигается тем, что в горелочном устройстве центральное отверстие в торцевой ограничительной стенке камеры сгорания имеет больший диаметр, чем диаметр сопла подачи воздуха, между торцевой ограничительной стенкой и завихрителем расположена дополнительная камера сгорания, на дне которой размещен дополнительный испарительный элемент, дополнительные штуцер, свеча зажигания и патрубок ввода топлива, причем дополнительная камера сгорания образована двумя соосными с соплом подачи воздуха цилиндрическими поверхностями, соединенными посредством плоского кольцевого дна, между цилиндрической поверхностью меньшего диаметра и соплом подачи воздуха выполнен зазор, верхний срез цилиндра большего диаметра соединен с торцевой поверхностью камеры сгорания, а срез цилиндра меньшего диаметра газоплотно соединен по линии наружного диаметра с плоским кольцом, которое по линии внутреннего диаметра газоплотно соединено с наружной поверхностью сопла подачи воздуха, и имеет высоту, меньшую, чем цилиндр большего диаметра, в обоих цилиндрических стенках дополнительной камеры сгорания выполнены симметрично расположенные отверстия. 1 ил.

Горелочное устройство, содержащее топочную камеру с цилиндрической ограничительной стенкой по периметру, с торцевой ограничительной стенкой, в которой выполнено центральное отверстие с входящим коаксиально с осью в топочную камеру соплом подачи воздуха, на боковой поверхности которого выполнено не менее двух рядов разнесенных по высоте сопла одинаковых по количеству и симметрично размещенных продольных щелевых отверстий, причем каждое отверстие верхнего ряда размещено на линии, равноудаленной от двух ближайших нижних отверстий, завихритель потока воздуха, формирователь вихревых потоков, расположенный между соплом подачи воздуха и испарительной капиллярной структурой, размещенной как на цилиндрической, так и на торцевой ограничительных стенках топочной камеры, штуцер для установки свечи, жаровую трубу и стабилизатор пламени, отличающееся тем, что центральное отверстие в торцевой ограничительной стенке камеры сгорания имеет диаметр, больший, чем диаметр сопла подачи воздуха, между торцевой ограничительной стенкой и завихрителем расположена дополнительная камера сгорания, на дне которой размещен дополнительный испарительный элемент, дополнительные штуцер, свеча зажигания и патрубок ввода топлива, причем дополнительная камера сгорания образована двумя соосными с соплом подачи воздуха цилиндрическими поверхностями, соединенными посредством плоского кольцевого дна, между цилиндрической поверхностью меньшего диаметра и соплом подачи воздуха выполнен зазор, верхний срез цилиндра большего диаметра соединен с торцевой поверхностью камеры сгорания, а срез цилиндра меньшего диаметра газоплотно соединен по линии наружного диаметра с плоским кольцом, которое по линии внутреннего диаметра газоплотно соединено с наружной поверхностью сопла подачи воздуха, и имеет высоту, меньшую, чем цилиндр большего диаметра, в обоих цилиндрических стенках дополнительной камеры сгорания выполнены симметрично расположенные отверстия.